Моделирование трехмерных полей полихлорбифенилов на северо-западном шельфе Черного моря
Представлена трехмерная численная модель, предназначенная для расчета загрязнения водной толщи и донных осадков северо-западного шельфа Черного моря полихлорбифенилами (ПХБ). Модель состоит из вихреразрешающего гидродинамического блока, а также модулей переноса и трансформации детрита и ПХБ. Учитыва...
Saved in:
| Published in: | Морской гидрофизический журнал |
|---|---|
| Date: | 2013 |
| Main Authors: | , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Морський гідрофізичний інститут НАН України
2013
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/56604 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Моделирование трехмерных полей полихлорбифенилов на северо-западном шельфе Черного моря / В.А. Иванов, А.В. Багаев, С.Г. Демышев, С.П. Любарцева // Морской гидрофизический журнал. — 2013. — № 1. — С. 59-74. — Бібліогр.: 21 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859828979711606784 |
|---|---|
| author | Иванов, В.А. Багаев, А.В. Демышев, С.Г. Любарцева, С.П. |
| author_facet | Иванов, В.А. Багаев, А.В. Демышев, С.Г. Любарцева, С.П. |
| citation_txt | Моделирование трехмерных полей полихлорбифенилов на северо-западном шельфе Черного моря / В.А. Иванов, А.В. Багаев, С.Г. Демышев, С.П. Любарцева // Морской гидрофизический журнал. — 2013. — № 1. — С. 59-74. — Бібліогр.: 21 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Морской гидрофизический журнал |
| description | Представлена трехмерная численная модель, предназначенная для расчета загрязнения водной толщи и донных осадков северо-западного шельфа Черного моря полихлорбифенилами (ПХБ). Модель состоит из вихреразрешающего 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. Приводится расчет сценария мгновенного аварийного выброса ПХБ из Георгиевского Гирла Дуная. Показано, что северо-западный шельф представляет собой природную буферную зону, демпфирующую распространение устойчивого хлорорганического загрязнения.
Представлена тривимірна чисельна модель, призначена для розрахунку забруднення водної товщі та донних осадів північно-західного шельфу Чорного моря поліхлорбіфенілами (ПХБ). Модель складається з вихоророздільного гідродинамічного блоку, а також модулів переносу та трансформації детриту та ПХБ. Враховуються процеси адсорбції/десорбції ПХБ на осідаючих частинках детриту, знакозмінний потік на межі вода – седименти, деструкція детриту. Наводиться розрахунок сценарію миттєвого аварійного викиду ПХБ з Георгіївського Гирла Дунаю. Показано, що північно-західний шельф є природною буферною зоною, яка демпфує розповсюдження стійкого хлорорганічного забруднення.
3-D model intended for simulating contamination of the water column and bottom sediments of the Black Sea northwestern shelf with polychlorinated biphenyl (PCB) is presented. The model consists of the eddy-resolving hydrodynamic block as well as the modules of detritus and PCB transport and transformation. The processes of PCB adsorption/desorption on the settling detritus particles, alternating-sign flux at the water-sediment boundary and detritus destruction are taken into consideration. The calculated scenario of an instantaneous PCB spill from the St. George Arm of the Danube is given. It is shown that the northwestern shelf represents a natural buffer zone damping propagation of persistent organochlorine pollutant.
|
| first_indexed | 2025-12-07T15:31:01Z |
| format | Article |
| fulltext |
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2013, № 1 59
© В.А. Иванов, А.В. Багаев, С.Г. Демышев, С.П. Любарцева, 2013
УДК 556.114.6:556.556.2
В.А. Иванов, А.В. Багаев, С.Г. Демышев, С.П. Любарцева
Моделирование трехмерных полей полихлорбифенилов
на северо-западном шельфе Черного моря
Представлена трехмерная численная модель, предназначенная для расчета загрязнения вод-
ной толщи и донных осадков северо-западного шельфа Черного моря полихлорбифенилами
(ПХБ). Модель состоит из вихреразрешающего 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, дест-
рукция детрита. Приводится расчет сценария мгновенного аварийного выброса ПХБ из Геор-
гиевского Гирла Дуная. Показано, что северо-западный шельф представляет собой природную
буферную зону, демпфирующую распространение устойчивого хлорорганического загрязне-
ния.
Ключевые слова: ПХБ, трехмерная модель, детрит, адсорбция, десорбция, северо-запад-
ный шельф Черного моря.
Введение
Решение современных экологических проблем и обеспечение безопасно-
сти окружающей среды сводится не только к ее очистке от контролируемых
загрязнителей и внедрению малоотходных технологий. Важны также прогно-
зирование и учет воздействия различного рода аварийных выбросов на суще-
ствующие экосистемы. Данные аспекты становятся особенно актуальными на
локальном уровне, в местах с большой плотностью населения, в крупных на-
селенных и промышленных центрах, в регионах активной эксплуатации мор-
ских ресурсов.
Современная концепция эколого-аналитического контроля стимулирует
научные исследования биогеохимических циклов группы стойких органиче-
ских загрязнителей, которые даже в низких концентрациях пагубно влияют
на морскую экосистему. Данные соединения принадлежат к классу хлорорга-
нических, они обладают рядом специфических признаков, к числу которых
относятся следующие: глобальная распространенность; чрезвычайная стой-
кость к физическим, химическим и биологическим трансформациям; биоак-
кумуляция, порожденная низкой растворимостью в воде и высокой – в липи-
дах; токсическое воздействие на живые организмы даже в малых дозах.
В настоящее время United Nations Environment Programme (UNEP) особо
выделяет группу из 12 соединений, на которые следует обращать первооче-
редное внимание при экологических исследованиях. Эта так называемая
«грязная дюжина» включает в себя следующие вещества: полихлорирован-
ные бифенилы, полихлорированные дибензо-п-диоксины, полихлорирован-
ные дибензофураны, алдрин, диэлдрин, дихлор-дифенил-трихлорэтан, энд-
рин, хлордан, гексахлорбензол, мирекс, токсафен и гептахлор [1].
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2013, № 1 60
В данной работе выполнено моделирование динамики полихлорирован-
ных бифенилов в морской среде.
Одни из самых распространенных и токсичных синтетических веществ –
ПХБ относятся к классу ароматических соединений, состоящих из двух бен-
зольных колец, соединенных через межъядерную связь С-С. В них происхо-
дит замещение от одного до десяти атомами хлора в орто-, мета- или пара-
положениях. Хотя теоретически может существовать 209 конгенеров ПХБ,
отличающихся числом и положением атомов хлора в молекуле и имеющих
общую формулу С12Н10-nCln, где n = 1 − 10, на практике в морской среде обна-
руживается до 100 индивидуальных конгенеров. По мере включения ПХБ в
биологические пищевые цепи благодаря их селективной биотрансформации
происходит прогрессивная потеря низкохлорированных компонентов. По-
этому в организмах человека и животных накапливаются наиболее опасные
высокохлорированные ПХБ.
ПХБ массово производились начиная с 1929 г. С тех пор и до прекраще-
ния их промышленного выпуска в 1986 г. в мире было произведено ~ 2 млн. т
ПХБ [1]. Синтез и массовое использование ПХБ объясняется рядом их уни-
кальных физических и химических свойств: исключительными теплофизиче-
скими и электроизоляционными характеристиками, термостойкостью, инерт-
ностью по отношению к кислотам и щелочам, огнестойкостью, хорошей рас-
творимостью в жирах, маслах и органических растворителях, высокой со-
вместимостью со смолами, отличной адгезионной способностью. Это обу-
словливало их широчайшее применение: в качестве гидравлических жидко-
стей; теплоносителей и хладагентов; смазочных масел; компонентов красок,
лаков и клеевых составов; пластификаторов и наполнителей в пластмассах и
эластомерах; антипиренов; растворителей; диэлектриков в трансформаторах и
конденсаторах.
ПХБ попадают в море с разгрузкой рек, атмосферными осадками, а также
с техногенными и коммунальными стоками. Однако в данный момент основ-
ным, кроме нелегальных сбросов, источником этого загрязнения в морских
экосистемах являются седименты прибрежной и шельфовой зон Мирового
океана [2]. Из всех представителей «грязной дюжины» ПХБ обладают наи-
большей сорбционной способностью на взвешенных частицах, обогащенных
органическим углеродом. Конечным этапом биогеохимического цикла ПХБ
является их накопление в глубоководных донных осадках. Согласно [3], про-
цесс выведения ПХБ из объектов окружающей среды займет более 100 лет
при соблюдении строгого запрета их выпусков.
Имеющиеся немногочисленные натурные съемки ПХБ в Черном море
[4 − 8] показывают значительное загрязнение водных масс и донных осадков
северо-западного шельфа, которое сопровождается интенсивной аккумуляци-
ей ПХБ биотой [9]. Учитывая, что водосборная площадь Черного моря в пять
раз превышает его собственную и что воды Дуная дренируют импактную зо-
ну, в которой проживает около 81 миллиона человек, полученные экспери-
ментальные данные не выглядят неожиданными.
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2013, № 1 61
Цель данного исследования − описание разработанной авторами матема-
тической модели динамики ПХБ в морских прибрежных акваториях с учетом
их адсорбции/десорбции на оседающих частицах детрита и знакопеременных
потоков на границе вода − донные осадки. Модель создавалась в рамках
классического подхода с использованием уравнения адсорбции Фрейндлиха
[10] и трехмерной модели переноса радионуклидов в эстуариях и внутренних водо-
емах [11].
Описание модели
На рис. 1 представлена блок-схема модели. В качестве гидродинамиче-
ского блока используется численная трехмерная z-координатная модель [12],
которая основана на полной системе нелинейных уравнений движения и пе-
реноса тепла и соли в приближении Буссинеска, гидростатики и несжимаемости мор-
ской воды.
Р и с. 1. Блок-схема модели
На поверхности задаются суточные поля тангенциального напряжения
трения ветра. Соответствующий массив получен в результате осреднения
данных 1988 − 1998 гг. с дискретностью 6 ч, которые восстановлены по рас-
пределениям приземного давления. Ежедневные значения потоков тепла,
осадков, испарения [13], полученные по реальным измерениям, ассимилиру-
ются согласно алгоритму [14]. На дне и твердых боковых стенках использу-
ются условия непротекания для нормальной составляющей вектора скорости
и прилипания для тангенциальной составляющей, а также отсутствия потоков
тепла и соли. На жидкой границе ставится условие Дирихле на втоке и зада-
ются потоки импульса, тепла и соли на вытоке.
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2013, № 1 62
Турбулентный обмен импульсом по горизонтали задается в виде бигармо-
нического оператора с коэффициентами: 2·1016 см4/с − до глубины 550 м;
3·1016
см
4/с − в диапазоне 600 − 900 м; 4·1016 см4/с − в диапазоне 700 − 1500 м;
до 10·1016 см4/с (линейное увеличение) − в интервале глубин 1600 − 2100 м.
Турбулентная диффузия также имеет бигармоническое представление с коэф-
фициентом 5·1016 см4/с. Подсеточная турбулентная вязкость и диффузия по
вертикали параметризуются с использованием гипотезы Филандера − Паканов-
ского [15].
В блоке переноса детрита рассчитываются нестационарные поля его кон-
центрации Sd(x, y, z, t), которые определяются уравнением четвертого порядка
типа адвекция − диффузия − реакция, граничными и начальными условиями:
d
d
vdh
d
s
dddd Sγ
z
S
κ
z
Sκ
z
S
w
z
S
w
y
S
v
x
S
u
t
S −
∂
∂
∂
∂+∇−=
∂
∂+
∂
∂+
∂
∂+
∂
∂+
∂
∂ 4 , (1)
где u, v, w – компоненты скорости течения; ws − скорость гравитационного
оседания детрита; hκ , vκ − коэффициенты турбулентной диффузии по гори-
зонтали и вертикали; γ(T) − удельная скорость элиминации детрита, которая
учитывает суммарный эффект от микробиологической деструкции, перехода
в другой размерный класс и гидролиза детрита (в общем случае зависит от
температуры). В рамках данного подхода предполагается, что концентрация
детрита не влияет на изменчивость полей течений, температуры и солености.
На поверхности (z = 0) выполняется граничное условие
S
z
d
vds F
z
S
Sw =
∂
∂
+
=0
κ , (2)
где FS − поток детрита.
Так как детрит, взвешенное мертвое органическое вещество, является
фракцией донных наносов, на дне (z = H(x, y)) в соответствии с моделью их
переноса [16] задается условие
ed
d
vds FF
z
S
Sw −=
∂
∂
−κ , (3)
где Fd и Fe − потоки седиментации и взмучивания соответственно, являющиеся
функциями придонных сдвиговых напряжений τb, вычисляемых по формуле
( )22
2
0
2 ln vu
z
z
K b
wb +
=
−
ρτ , (4)
здесь ρw − плотность воды; K − постоянная Кармана; zb − толщина слоя тре-
ния (расстояние до дна); z0 − шероховатость дна.
Считается, что
≤
−=
иначе,0
,,1
,
ττ
τ
τ
Sw
F cdb
cd
b
dbs
d
≥
−=
иначе,0
,,10
,
ττ
τ
τ
M
F ceb
ce
b
e (5)
где Sdb − концентрация детрита у дна; M0 − параметр интенсивности взмучи-
вания детрита; τcd и τce − критические значения напряжений.
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2013, № 1 63
Запас детрита в донных осадках Sb(x, y, t) описывается уравнением
ed
b FF
t
S −=
∂
∂
. (6)
На боковых границах, твердых G и жидких L, выполняется условие от-
сутствия потока детрита по направлению n
r
внешней нормали к границе:
0=
∂
∂
+ LG
d
h n
Sκ . (7)
Транспорт ПХБ описывается с учетом обмена между растворенной фор-
мой, сорбированной на детрите фракцией и верхним слоем донных осадков.
На начальном этапе моделирования мы пренебрегаем переносом ПХБ биотой
и не рассматриваем коллоидную фазу. Соответствующие уравнения и гра-
ничные условия выписываются для концентрации ПХБ в растворе C(x, y, z, t),
на детрите Сd(x, y, z, t) и в верхнем слое седиментов Сb(x, y, t):
)(2,14
ddsdvh CCKS
a
z
C
z
C
z
C
w
y
C
v
x
C
u
t
C −−
∂
∂
∂
∂+∇−=
∂
∂+
∂
∂+
∂
∂+
∂
∂
β
κκ , (8)
где a1, 2(T) – удельная скорость обмена в системе вода − детрит с учетом раз-
личных скоростей процессов адсорбции и десорбции ПХБ на частицах детри-
та, ;
/,
/,
21
12
2,1
<
>
=
CCKa
CCKa
a
dds
dds β – доля детрита во взвеси; Kds – константа рав-
новесия растворенной и сорбированной форм ПХБ.
Граничные условия на поверхности и дне имеют следующий вид:
0
0
=
∂
∂
=z
v z
Cκ , )(31 bdb,
Hz
v CCKZa
z
C
κ −=
∂
∂
∗
=
, (9)
где a1, 3(T) – удельная скорость обмена в системе вода – донные осадки,
;
)(
)(
31
13
31
<
>
=
∗
∗
CZ/CK,a
CZ/CK,a
a
bdb
bdb
, Kdb – константа равновесия в системе вода – дон-
ные осадки; ∗Z – толщина эффективного слоя донных отложений.
На твердой боковой границе задаем условие отсутствия потока вещества
по направлению n
r
внешней нормали к границе:
0=
∂
∂
G
h n
Cκ . (10)
На жидкой боковой границе может функционировать источник раство-
ренных ПХБ
C
L
hn F
n
C
Cu =
∂
∂− κ , (11)
где un – нормальная к жидкой границе компонента горизонтальной скорости
течения; FC – латеральный поток растворенных ПХБ с жидкой границы.
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2013, № 1 64
Динамика трехмерного поля концентрации ПХБ, сорбированных детри-
том Сd(x, y, z, t), описывается уравнением
)(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
(12)
и граничными условиями на поверхности и дне соответственно:
0
0
=
∂
∂
+
=z
d
vds z
C
Cw κ , d
e
d
d
Hz
d
vds FF
z
C
Cw −=
∂
∂−
=
κ , (13)
где d
dF и d
eF – потоки депонирования и взмучивания для ПХБ на детрите.
Условия, при которых происходят эти процессы на дне, аналогичны услови-
ям, инициирующим седиментацию и эрозию в блоке переноса детрита (5):
≤
−=
,иначе,0
,,1 cdb
cd
b
dbs
d
Cw
F
ττ
τ
τ
≥
−=
иначе,0
,,11
,
ττ
τ
τ
M
F ceb
ce
b
e (14)
здесь dbC – концентрация ПХБ на детрите у дна; M1 – параметр интенсивно-
сти взмучивания ПХБ на детрите.
По аналогии с (7) на боковых границах задается условие отсутствия нор-
мального потока ПХБ на детрите:
0=
∂
∂
+ LG
d
h n
Cκ . (15)
Уравнение для концентрации ПХБ в верхнем слое донных отложений
Сb(x, y, t) имеет вид
d
e
d
dbdb,
b FFCCKZa
t
C −+−=
∂
∂
∗ )(31 . (16)
В начальный момент (t = 0) задаются концентрации всех переменных состояния:
),,,(),,,(),,,( 000 zyxCCzyxCCzyxSS dddd ===
).,(),,( 00 yxCCyxSS bbbb ==
(17)
Пространственная дискретизация реализуется на равномерной сетке С
(по терминологии Аракавы) с шагом ∆x = ∆y = 5 км. По вертикали расчет
скорости течений, температуры, солености, уровня моря, концентрации дет-
рита, ПХБ в растворе и на детрите проводится на 45 неравномерно распреде-
ленных горизонтах. Вертикальная компонента скорости вычисляется между
основными горизонтами. Шаг по времени ∆t составляет 5 мин. Дифференци-
альные уравнения на этой сетке заменяются конечно-разностными аналогами
и решаются с помощью явно-неявной схемы с использованием центральных
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2013, № 1 65
разностей. Уравнения переноса детрита и ПХБ с учетом граничных и началь-
ных условий решаются численно совместно с уравнениями гидродинамиче-
ского блока с помощью TVD-схем [17], для аппроксимации оператора адвек-
тивного переноса используется схема superbee. Как показано в [18], этот под-
ход позволяет удовлетворительно описать поля с большими градиентами
концентрации, в частности фронтальные зоны.
Численный эксперимент
Представленная модель была использована для расчета трехмерных по-
лей ПХБ, сформировавшихся в результате гипотетического аварийного сбро-
са в устьевой зоне Дуная. Для моделирования выбран ранневесенний период,
так как он характеризуется:
− значительным потоком детрита, типичным для периода, следующего
за цветением холодоустойчивых форм фитопланктона на северо-западном
шельфе Черного моря. В этих условиях процесс адсорбции/десорбции ПХБ
детритом проявляет себя максимально;
− достаточно большими скоростями течений у дна, что позволяет оце-
нить наибольший вклад процессов взмучивания и формирования вторичного
потока загрязнения ПХБ водной толщи.
На синоптическом временном масштабе решается нестационарная зада-
ча. На фоне развитого пятна детрита, которое поддерживается постоянным
потоком на поверхности
Ω∉
Ω∈⋅
=
,),(при0
,),(при)сутм/(Cмг320 2
yx
yx
FS
в устье Дуная происходит мгновенный выброс растворенных ПХБ. Считается,
что
)()()()( **** τδζδηδξδ −−−−= tzyxQFC ,
где Q = 2·109 г·см, что соответствует мгновенному поступлению в некоторый
момент времени τ* в точку (ξ *, η*, ζ *), которая располагается в районе Геор-
гиевского Гирла, суммарной массы ПХБ, равной 4 кг. Заметим, что ежегод-
ная поставка ПХБ со стоком Дуная оценивается в 20 кг [5]. В начальный мо-
мент времени область Ω имеет размер 20 × 5 км и располагается в приустье-
вой зоне Дуная. Предполагается, что источник ПХБ на детрите пренебрежи-
мо мал. Такое представление опирается на постулат о существовании зоны
лавинной седиментации [19], в которой ПХБ на детрите речного происхож-
дения практически полностью оседают на дно. Считается, что расчетная об-
ласть не включает в себя эту зону. Начальное распределение концентрации
ПХБ в растворе и на детрите однородно по пространству и характеризуется
небольшими «фоновыми» значениями ~ 10–5 пкг/л. Для ПХБ на дне порядок
«фоновой» концентрации составляет 10–4 пкг/м2.
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2013, № 1 66
Для выбора значений полуэмпирических параметров (таблица) была про-
ведена серия тестовых расчетов с использованием параметров модели [11], а
также приведенных в литературе оценок [2, 10]. Критерием выбора значения
полуэмпирического параметра является близость модельных распределений к
экспериментальным данным [5]. На синоптическом масштабе можно пренеб-
речь зависимостью γ(T), a1, 2(T) и a1, 3(T) от температуры и считать значения
этих параметров постоянными.
Полуэмпирические параметры модели транспорта ПХБ
Параметр Символ Значение
Блок переноса и трансформации детрита
Скорость гравитационного оседания дет-
рита ws 10–3 см/с
Удельная скорость элиминации детрита γ 1,16·10–6 с–1
Постоянная Кармана K 0,4
Шероховатость дна z0 0,05 см
Параметр интенсивности взмучивания
детрита M0 10–4 гC/(см2·с)
Критическое по отношению к взмучива-
нию напряжение τce 0,26 г/(см2·с)
Критическое по отношению к седимента-
ции напряжение τcd 0,25 г/(см2·с)
Блок переноса ПХБ
Удельная скорость адсорбции/десорбции
ПХБ в системе вода − детрит
a1, 2
1,16·102 см3/(г·с)
Удельная скорость обмена в системе во-
да − донные осадки
a1, 3
1,16·10–7 с–1
Коэффициент равновесного распределения
ПХБ в системе вода − детрит
Kds
1/2
Коэффициент равновесного распределения
ПХБ в системе вода − донные осадки
Kdb
1/8
Эффективная толщина слоя донных осадков Z* 10 см
Доля детрита во взвеси β 1/3
Параметр интенсивности взмучивания
ПХБ на детрите
M1
10–18 г/(см2·с)
Задача (1) − (17) инициализируется на 9600-й модельный день расчета
гидродинамического блока (что соответствует дате 4 марта климатического
массива данных), когда по всему бассейну устанавливается квазипериодиче-
ский режим циркуляции.
Отслеживание переноса и трансформации детрита и ПХБ проводится в
течение одного модельного месяца с дискретностью в одни сутки. Анализи-
руются первые две недели.
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2013, № 1 67
Обсуждение результатов
В соответствии с преобладанием типичных для этого сезона северо/севе-
ро-восточных ветров со скоростями 10 – 15 м/с в исследуемой области фор-
мируется вдольбереговое течение, проходящее в юго-западном направлении
близ берегов Украины и Румынии (рис. 2). Оно имеет среднюю скорость
20 см/с, которая уменьшается с приближением к границам бассейна. Необхо-
димо подчеркнуть, что данный сезон характеризуется чрезвычайно сложным
пространственным распределением вертикальной скорости течения с отчет-
ливым даунвеллингом в приустьевой зоне Дуная и множеством локальных
зон субдукции, возникающих на шельфе. Вследствие слабого уклона дна на
исследуемом участке континентальной отмели область распространения дет-
рита и ПХБ в сторону открытого моря на выбранном временном масштабе
фактически оказывается ограниченной изобатой 75 м. Видно, что на третьи
сутки после аварии на горизонте 3 м ядро загрязнения с концентрацией рас-
творенных ПХБ, превышающей 103 пкг/л, сносится в район г. Тулча (Румы-
ния). Фронтальная зона, которая характеризуется высоким значением гради-
ента концентраций всех переменных состояния (ПХБ в растворе составляет
102 пкг/(л·км), ПХБ на детрите 10 пкг/(л·км), детрит 10-3 мгС/(л·км)), вытяги-
вается в юго-западном направлении, что является косвенным подтверждени-
ем доминирования адвективного горизонтального потока над диффузионным.
Адвекция обеспечивает поставку детрита, на котором происходит адсорбция
ПХБ. В результате пространственное распределение ПХБ на детрите
(102 пкг/л) и ПХБ в растворе различается только значениями концентраций.
На глубине 30 м наблюдается процесс «перекачки» растворенных ПХБ в сор-
бированную на детрите форму. В полях детрита и ПХБ на детрите прослежи-
вается образование линз за счет взмучивания на границе вода − донные осад-
ки. На 10-е сутки (рис. 3) значительно ослабленное ядро загрязнения достига-
ет г. Констанца, а южная авангардная часть фронтальной зоны − м. Калиакра.
Граница пятна несколько размывается в результате действия диффузии. В
поле переменных состояния, описывающих концентрацию взвесей на глуби-
не, наблюдается исчезновение прежних линз и формирование новых.
Разделим участки дна по их батиметрическим параметрам на три класса
[20]: эрозийный, транспортирующий и аккумулятивный. Анализ динамики
полей концентрации ПХБ в верхнем слое донных осадков (рис. 4) показал,
что там присутствуют седименты второго и третьего типов. Очевидное подо-
бие в распределениях детрита и ПХБ на дне указывает, что основным меха-
низмом загрязнения верхнего слоя донных осадков является «быстрый транс-
порт» ПХБ на взвешенных частицах детрита. Седименты транспортирующего
типа, которые не только поглощают ПХБ, но и эффективно выделяют их при
взмучивании, были зафиксированы в районе м. Калиакра. Эта зона северо-
западного шельфа является наиболее динамически активной, так как к ней
вплотную приближается Основное Черноморское течение.
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2013, № 1 68
Р и с. 2. Распределение вектора горизонтальной скорости и концентрации ПХБ в растворе
(сверху), ПХБ на детрите (в середине) и детрита (внизу) на горизонте 3 м (слева) и 30 м (спра-
ва) на третьи сутки после выброса. Результаты численного эксперимента
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2013, № 1 69
Р и с. 3. То же, что на рис. 2, на 10-е сутки после выброса. Результаты численного экспери-
мента
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2013, № 1 70
Р и с. 4. Распределение концентрации детрита (слева) и ПХБ (справа) в верхнем слое донных
отложений на 10-е сутки после выброса. Заштрихованная область – положение пятна детрита,
звездочкой обозначена точка выброса ПХБ, буквой А – станция, на которой визуализируются
вертикальные профили. Результаты численного эксперимента
Эволюция вертикальных профилей концентрации переменных состояния
на отдельных станциях была исследована с помощью диаграмм Хофмеллера,
которые широко используются в океанологии [21]. В качестве примера на
рис. 5 приводится распределение концентрации загрязнения на станции А,
расположенной юго-западнее устьевой зоны Дуная. Отчетливо видно
(рис. 5, а), что ядро загрязнения в растворенной форме достигает станции на
четвертые сутки после выброса. Максимум с концентрацией более 30 пкг/л
располагается на глубине 26 м. Практически в тот же момент начинается ин-
тенсивная адсорбция на оседающем детрите, концентрация которого достига-
ет локального максимума 0,01 мгС/л на том же горизонте (рис. 5, в). В ре-
зультате ПХБ из растворенной формы переходят на детрит с концентрацией в
ядре свыше 14 пкг/л (рис. 5, б). Загрязненный детрит быстро оседает на дно,
что хорошо видно на графике зависимости концентрации ПХБ от времени в
верхнем слое донных осадков (рис. 5, д), который имеет максимум производ-
ной на пятый день после выброса. Оставшийся в воде детрит настолько на-
сыщен ПХБ, что затем на частицах начинается обратный процесс десорбции.
На диаграмме )()( 2,1
ddsd CCKS
β
a
z,tSorb −= , смена знака данного слагаемого
функции мощности источника в (8), (12) проявляется в виде ярко выраженно-
го «диполя» (рис. 5, г). Несимметричность связана с падением концентрации
детрита на 10-е сутки на глубинах свыше 30 м, которое вызвано в свою оче-
редь оседанием и деструкцией частиц детрита. Видно, что в результате ад-
сорбции/десорбции на опускающемся детрите уже на 20-е сутки после аварии
на станции А в водной толще остаются лишь достаточно низкие доаварийные
концентрации ПХБ. При этом сигнал в форме растворенных ПХБ затухает на
четверо суток раньше, чем аварийное загрязнение детрита.
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2013, № 1 71
Р и с. 5. Диаграммы Хофмеллера для станции А: концентрации ПХБ в растворе (а), ПХБ на
детрите (б), детрита (в); сорбционное слагаемое функции мощности источников (г); зависи-
мость концентрации ПХБ в верхнем слое донных осадков от времени (д). Результаты числен-
ного эксперимента
Бюджет ПХБ (рис. 6) иллюстрирует перераспределение контаминанта со
временем между переменными состояния. В течение первых двух суток по-
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2013, № 1 72
сле аварии доминирует адсорбция. Она приводит к уменьшению на 20% ин-
тегральной массы растворенных ПХБ. На 16-е сутки после аварии донные
осадки поглощают такое же количество загрязняющего вещества. Достаточно
медленно «включается» десорбция. На 22-е сутки после аварии доли ПХБ,
которые накоплены седиментами и сорбированы детритом, становятся экви-
валентными. Таким образом, опускающиеся частицы детрита образуют свое-
образную буферную систему, ускоряющую очищение воды и связывание
ПХБ донными осадками. На данном масштабе седименты шельфа аккумули-
руют загрязнение, поэтому значимого интегрального потока, вызванного
взмучиванием, мы не наблюдаем.
Р и с. 6. Бюджет ПХБ на северо-западном шельфе Черного моря. Результаты численного экс-
перимента
Р и с. 7. Веб-интерфейс программного модуля для расчета последствий выбросов ПХБ на се-
веро-западном шельфе Черного моря
Сут
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2013, № 1 73
Для эффективного поиска управленческих решений на основе представ-
ленной модели был разработан прикладной программный модуль с удален-
ным веб-интерфейсом (рис. 7). Он позволяет рассчитывать траекторию пятна
загрязнения, визуализировать трехмерные поля ПХБ в растворе и на детрите,
картировать контаминацию дна, а также планировать превентивные меры.
Они, прежде всего, связаны с использованием нетоксичных искусственных
сорбентов, обладающих мощными адсорбирующими свойствами.
Суммируя вышесказанное, констатируем, что невозможность монито-
ринга сбросов ПХБ стимулирует развитие как аналитических методов, так и
метода математического моделирования. Разработанная трехмерная модель
включает в себя гидродинамический блок с современным физическим напол-
нением, блок переноса и трансформации детрита, а также блок переноса ПХБ
с учетом важнейших физико-химических процессов. Предложенный подход
обладает не только общенаучной, но и прикладной значимостью, он позволя-
ет моделировать различные сценарии аварийных выбросов ПХБ с целью ми-
нимизации негативных последствий для экосистемы шельфа.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Клюев Н.А., Бродский Е.С. Определение полихлорированных бифенилов в окружающей
среде и биоте // Полихлорированные бифенилы. Супертоксиканты XXI века. – М.:
ВИНИТИ, 2000. – № 5. – С. 31 – 63.
2. Qingyu М., Shaogang C., Xiaobai X. Sorption phenomena of PCBs in environment // Chin.
Sci. Bull. – 2001. – 46, № 2. – P. 89 – 97.
3. Jonsson A., Gustaffson G., Axelman J. et al. A global accounting of PCBs in the continental
shelf sediments // Environm. Sci. Technol. – 2003. – 37. – P. 245 – 255.
4. Орлова И.Г. Хлорированные углеводороды в экосистеме Черного моря // Исследование
экосистемы Черного моря. – Одесса: ИРЭН-Полиграф, 1994. – Вып. 1. – С. 36 – 46.
5. Maldonado C., Bayona M., Bodineau L. Sources, distribution, and water column processes of ali-
phatic and polycyclic aromatic hydrocarbons in the northwestern Black Sea water // Environm. Sci.
Technol. – 1999. – 33. – P. 2693 – 2702.
6. Жерко Н.В., Егоров В.Н., Малахова Л.В. и др. Хлорорганические соединения в северо-
западной части Черного моря // Экология моря. – 2000. – № 51. – P. 88 – 90.
7. Fillmann G., Readman J., Tolosa I. et al. Persistent organochlorine residues in sediments
from Black Sea // Mar. Pollut. Bull. – 2002. – 44. – P. 122 – 133.
8. Bakan G., Ariman S. Persistent organochlorine residues in sediments along the coast of mid-Black
Sea region of Turkey // Ibid. – 2004. – 48. – P. 1031 – 1039.
9. Tanabe S., Madhusree B., Ozturk A. et al. Persistent organochlorine residues in harbour por-
poise (Phocoena phocoena) from the Black Sea // Ibid. – 1997. – 34. – P. 338 – 347.
10. Wildish D., Metcalfe C., Akagi H. et al. Flux of Aroclor 1254 between estuarine sediments
and water // Bull. Environm. Contam. Toxicol. – 1980. – 24. – P. 20 – 26.
11. Koziy L., Maderich V., Margvelashvili N. et al. Three-dimensional model of radionuclide
dispersion in estuaries // Environm. Model. Software. – 1998. – 13. – P. 413 – 420.
12. Демышев С.Г., Коротаев Г.К. Численная энергосбалансированная модель бароклинных
течений океана с неровным дном на сетке С // Численные модели и результаты калиб-
ровочных расчетов течений в Атлантическом океане. – М.: ИВМ РАН, 1992. – С. 163 –
231.
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2013, № 1 74
13. Белокопытов В.Н. Термохалинная и гидролого-акустическая структура вод Черного
моря: Автореф. дисс. … канд. геогр. наук. – Севастополь: МГИ НАН Украины, 2004. –
20 с.
14. Кныш В.В., Демышев С.Г., Коротаев Г.К. Методика реконструкции климатической
сезонной циркуляции Черного моря на основе ассимиляции гидрологических данных в
модели // Морской гидрофизический журнал. – 2002. – № 2. – С. 36 – 52.
15. Pacanovsky R.C., Philander G. Parametrization of vertical mixing in numerical models of the
tropical ocean // J. Phys. Oceanogr. – 1981. – 11. – P. 1442 – 1451.
16. Алексеев Д.В., Иванов В.А., Иванча Е.В. и др. Исследование полей концентрации взвеси
на северо-западном шельфе Черного моря при взмучивании донных осадков движу-
щимся циклоном // Морской гидрофизический журнал. – 2007. – № 1. – С. 3 – 19.
17. 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.
18. Фомин В.В. Применение схем TVD для численного моделирования фронтальных зон
солености в мелком море // Метеорология и гидрология.– 2006. – № 2. – С. 59 – 68.
19. Витюк Д.М. Взвешенное вещество и его биогенные компоненты. – Киев: Наук. думка,
1983. – 210 с.
20. Jonsson A., Carman R. Distribution of PCBs in sediment from different bottom types and
water depths in Stockholm Archipelago, Baltic Sea // AMBIO. – 2000. – 29, № 4. – P. 277 –
281.
21. Alexander M., Capotondi A., Miller A. et al. Decadal variability in the northeast Pacific in a
physical-ecosystem model: role of mixed layer depth and trophic interactions // J. Geophys.
Res. – 2008. – 113. – P. C02017(1 – 12).
Морской гидрофизический нститут НАН Украины, Материал поступил
Севастополь в редакцию 11.07.11
E-mail: svitlana.lyubartseva@gmail.com, После доработки 13.10.11
bagaiev.andrii@gmail.com
АНОТАЦІЯ Представлена тривимірна чисельна модель, призначена для розрахунку забруд-
нення водної товщі та донних осадів північно-західного шельфу Чорного моря поліхлорбіфе-
нілами (ПХБ). Модель складається з вихоророздільного гідродинамічного блоку, а також мо-
дулів переносу та трансформації детриту та ПХБ. Враховуються процеси адсорбції/десорбції
ПХБ на осідаючих частинках детриту, знакозмінний потік на межі вода – седименти, деструк-
ція детриту. Наводиться розрахунок сценарію миттєвого аварійного викиду ПХБ з Георгіївсь-
кого Гирла Дунаю. Показано, що північно-західний шельф є природною буферною зоною, яка
демпфує розповсюдження стійкого хлорорганічного забруднення.
Ключові слова: ПХБ, тривимірна модель, детрит, адсорбція, десорбція, північно-західний
шельф Чорного моря.
ABSTRACT 3-D model intended for simulating contamination of the water column and bottom se-
diments of the Black Sea northwestern shelf with polychlorinated biphenyl (PCB) is presented. The
model consists of the eddy-resolving hydrodynamic block as well as the modules of detritus and PCB
transport and transformation. The processes of PCB adsorption/desorption on the settling detritus
particles, alternating-sign flux at the water-sediment boundary and detritus destruction are taken into
consideration. The calculated scenario of an instantaneous PCB spill from the St. George Arm of the
Danube is given. It is shown that the northwestern shelf represents a natural buffer zone damping
propagation of persistent organochlorine pollutant.
Keywords: PCB, 3-D model, detritus, adsorption, desorption, northwestern shelf of the Black
Sea.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-56604 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0233-7584 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T15:31:01Z |
| publishDate | 2013 |
| publisher | Морський гідрофізичний інститут НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Иванов, В.А. Багаев, А.В. Демышев, С.Г. Любарцева, С.П. 2014-02-20T19:57:10Z 2014-02-20T19:57:10Z 2013 Моделирование трехмерных полей полихлорбифенилов на северо-западном шельфе Черного моря / В.А. Иванов, А.В. Багаев, С.Г. Демышев, С.П. Любарцева // Морской гидрофизический журнал. — 2013. — № 1. — С. 59-74. — Бібліогр.: 21 назв. — рос. 0233-7584 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/56604 556.114.6:556.556.2 Представлена трехмерная численная модель, предназначенная для расчета загрязнения водной толщи и донных осадков северо-западного шельфа Черного моря полихлорбифенилами (ПХБ). Модель состоит из вихреразрешающего 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. Приводится расчет сценария мгновенного аварийного выброса ПХБ из Георгиевского Гирла Дуная. Показано, что северо-западный шельф представляет собой природную буферную зону, демпфирующую распространение устойчивого хлорорганического загрязнения. Представлена тривимірна чисельна модель, призначена для розрахунку забруднення водної товщі та донних осадів північно-західного шельфу Чорного моря поліхлорбіфенілами (ПХБ). Модель складається з вихоророздільного гідродинамічного блоку, а також модулів переносу та трансформації детриту та ПХБ. Враховуються процеси адсорбції/десорбції ПХБ на осідаючих частинках детриту, знакозмінний потік на межі вода – седименти, деструкція детриту. Наводиться розрахунок сценарію миттєвого аварійного викиду ПХБ з Георгіївського Гирла Дунаю. Показано, що північно-західний шельф є природною буферною зоною, яка демпфує розповсюдження стійкого хлорорганічного забруднення. 3-D model intended for simulating contamination of the water column and bottom sediments of the Black Sea northwestern shelf with polychlorinated biphenyl (PCB) is presented. The model consists of the eddy-resolving hydrodynamic block as well as the modules of detritus and PCB transport and transformation. The processes of PCB adsorption/desorption on the settling detritus particles, alternating-sign flux at the water-sediment boundary and detritus destruction are taken into consideration. The calculated scenario of an instantaneous PCB spill from the St. George Arm of the Danube is given. It is shown that the northwestern shelf represents a natural buffer zone damping propagation of persistent organochlorine pollutant. ru Морський гідрофізичний інститут НАН України Морской гидрофизический журнал Математическое моделирование морских систем Моделирование трехмерных полей полихлорбифенилов на северо-западном шельфе Черного моря Article published earlier |
| spellingShingle | Моделирование трехмерных полей полихлорбифенилов на северо-западном шельфе Черного моря Иванов, В.А. Багаев, А.В. Демышев, С.Г. Любарцева, С.П. Математическое моделирование морских систем |
| title | Моделирование трехмерных полей полихлорбифенилов на северо-западном шельфе Черного моря |
| title_full | Моделирование трехмерных полей полихлорбифенилов на северо-западном шельфе Черного моря |
| title_fullStr | Моделирование трехмерных полей полихлорбифенилов на северо-западном шельфе Черного моря |
| title_full_unstemmed | Моделирование трехмерных полей полихлорбифенилов на северо-западном шельфе Черного моря |
| title_short | Моделирование трехмерных полей полихлорбифенилов на северо-западном шельфе Черного моря |
| title_sort | моделирование трехмерных полей полихлорбифенилов на северо-западном шельфе черного моря |
| topic | Математическое моделирование морских систем |
| topic_facet | Математическое моделирование морских систем |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/56604 |
| work_keys_str_mv | AT ivanovva modelirovanietrehmernyhpoleipolihlorbifenilovnaseverozapadnomšelʹfečernogomorâ AT bagaevav modelirovanietrehmernyhpoleipolihlorbifenilovnaseverozapadnomšelʹfečernogomorâ AT demyševsg modelirovanietrehmernyhpoleipolihlorbifenilovnaseverozapadnomšelʹfečernogomorâ AT lûbarcevasp modelirovanietrehmernyhpoleipolihlorbifenilovnaseverozapadnomšelʹfečernogomorâ |