Моделирование переноса выбросов Ново-Иркутской ТЭЦ на акваторию оз. Байкал

Таким образом, по степени влияния на величину урожая в Иркутской области на первом месте находится агрофон, на долю которого приходится 48% всех изменений. Влияние генотипа сортов составило 9%. Варьирование урожайности в зависимости от сроков посева составило 4%, немного больше (7%) со-

ставило варьирование урожайности в зависимости от взаимодействия факторов «срок - агрофон». Следует отметить, что 30% изменчивости урожая обеспечивалось другими факторами, которые не рассматривались в данной работе.

Библиографический список

1. Агроклиматические ресурсы Иркутской области / В.И. Гонтарь [и др.], 1977. 208 с.

2. Тихонов Н.И. Производство пивоваренного ячменя - одна из ключевых проблем развития пивоваренной отрасли // Агро XXI. 2008. № 10-12. С. 8-9.

3. Мальцев В.Ф. Ячмень и овес Сибири. М.: Колос, 1984. 128 с.

4. Юшкевич Л.В., Аниськов Н.И. Яровой ячмень в Западной Сибири // Земледелие. 2010. № 6. С. 3-5.

5. Гребенщиков В.Ю., Дмитриев Н.Н. Влияние агрохимических средств на урожайность ячменя в условиях лесостепи Приангарья на светло-серой лесной почве // Бюллетень ВИУА. 2003. № 117. С. 28-30.

6. Методика государственного сортоиспытания сельскохозяйственных культур / под ред. М.А. Федина. Вып. 1-й. М., 1985. С. 269.

7. Чирков Ю.И. Агрометеорология. Ленинград, 1986.

8. Доспехов Б.А. Методика полевого опыта. М.: Колос, 1985. 381 с.

9. Дубров А.М., Мхитарян В.С., Трошин Л.И. Многомерные статистические методы: учеб. пособие, 2003. С. 352.

10. Гамзиков Г.П., Новикова В.Н. Продуктивность сортов ячменя при разных уровнях минерального питания // Сорт и удобрение / под ред. Э.Л. Климашевского. Иркутск, 1974. С. 197-204.

11. Гребенщиков В.Ю., Верхотуров В.В., Панквец С.О. Влияние минерального питания на урожайность и качество ячменя в условиях Приангарья // Плодородие. 2011. № 5. С. 10-11.

12. Мальцев В.Т. Азотные удобрения в Приангарье. Новосибирск, 2011. С. 272.

13. Зайцев А.М. Влияние зернопаровых севооборотов на плодородие и продуктивность выщелочного чернозема в лесостепной зоне Приангарья: автореф. дис. ... канд. с.-х. наук: 06.01.03. Улан-Удэ, 2001. 25 с.

14. Адаптивно-ландшафтная система земледелия Иркутской области / В.И. Солодун [и др.]. 2-е изд., перераб. и доп. Иркутск: Изд-во ИрГСХА, 2011. 191 с.

УДК 502.175:502.3.001.57

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПЕРЕНОСА ВЫБРОСОВ НОВО-ИРКУТСКОЙ ТЭЦ НА АКВАТОРИЮ оз. БАЙКАЛ

© А.С. Сафаров1, В.А. Верхозина2, В.Л. Макухин3

1Институт систем энергетики им. Л.А. Мелентьева СО РАН, 664033, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 130. 2Институт геохимии им. А.П. Bиноградова СО РАН, 664064, Россия, г. Иркутск, ул. Фаворского, 1а. 2Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова 83. 3Лимнологический институт СО РАН, 664033, Россия, г. Иркутск, ул. Улан-Баторская, 3.

Приведены результаты моделирования переноса выбросов Ново-Иркутской ТЭЦ на акваторию Южного Байкала с применением уравнения турбулентной диффузии. Исследованы процессы распространения и трансформации соединений серы и азота, а также твердых аэрозолей. При расчетах учтено влияние рельефа местности и рассмотрены химические трансформации соединений. Ил. 4. Библиогр. 6 назв.

Ключевые слова: уравнения турбулентной диффузии; перенос примесей; математическое моделирование; выбросы ТЭЦ; загрязнение атмосферы.

MODELING TRANSFER OF NOVO-IRKUTSK CHP EMISSIONS TO LAKE BAIKAL WATER AREA A.S. Safarov, V.A. Verkhozina, V.L. Makukhin

L.A. Melentiev Institute of Energy Systems SB RAS, 130 Lermontov St., Irkutsk, бб4033, Russia.

1Сафаров Алексей Саматович, ведущий инженер, тел.: 89025432666, e-mail: alexssss@list.ru Safarov Aleksei, Leading Engineer, tel.: В9025432ббб, e-mail: alexssss@list.ru

верхозина Bалентина Александровна, доктор технических наук, профессор, ведущий научный сотрудник, профессор кафедры управления промышленными предприятиями, тел.: 89149047775, e-mail: verhval@igc.irk.ru

Verkhozina Valentina, Doctor of technical sciences, Leading Researcher, Professor of the Department of Management of Industrial Enterprises, tel.: В9149047775, e-mail: verhval@igc.irk.ru

3Макухин Bладимир Леонидович, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, тел.: В9500бВ1154, e-mail: aerosol@lin.irk.ru

Makukhin Vladimir, Candidate of technical sciences, Senior Researcher, tel.: В9500бВ1154, e-mail: aerosol@lin.irk.ru

A.P. Vinogradov Institute of Geochemistry SB RAS, 1a Favorsky St., Irkutsk, 664064, Russia. Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia. Limnological Institute SB RAS,

3 Ulan-Batorskaya St., Irkutsk, 664033, Russia.

Using the equations of turbulent diffusion the article presents the modeling results of the transfer of Novo-Irkutsk CHP emissions to the water area of the southern Baikal. It studies diffusion and transformation processes of sulfur and nitrogen compounds as well as solid aerosols. The calculations have been performed with regard to the relief effect and chemical transformations of compounds.

4 figures. 6 sources.

Key words: equations of turbulent diffusion; transfer of impurities; mathematical modeling; CHP emissions; atmospheric pollution.

Актуальность проблемы. Развитие электроэнергетики на территории Иркутской области создает большое количество экологических проблем в регионе, для решения которых необходима объективная оценка воздействия на окружающую среду. Топливно-энергетический комплекс области объединяет предприятия энергетики, угольной и нефтеперерабатывающей промышленности. Основным источником загрязнения воздуха в экологической зоне атмосферного влияния являются предприятия теплоэнергетики. Важно установить, как и в каких количествах загрязняющие вещества распространяются в атмосфере региона и особенно на территории акватории озера Байкал.

По данным государственного доклада «О состоянии озера Байкал и мерах по его охране в 2010 году» выбросы в атмосферу от источников предприятий теплоэнергетики в границах экологической зоны атмосферного влияния (ЭЗАВ) байкальской природной территории (БПТ) стали значительно выше. Валовые выбросы загрязняющих веществ (сравнение 2009 и 2004 гг.) увеличились на 29,29 тыс. т/год (15,9%), диоксида серы - на 22,51 тыс. т/год (19,9%), оксидов азота - на 3,89 тыс. т/год (11,9%) [4]. Выбросы вредных веществ в атмосферу при производстве и распределении электроэнергии, газа и воды по Иркутской области в 2012 г. составили 789,782 тыс. т/год. Это более 54% от валовых выбросов вредных веществ в атмосферу [5]. Такая ситуация обусловлена увеличением общего расхода сожженного топлива для выработки электроэнергии и ухудшением качественного состава сжигаемого топлива, введением ограничений по пропускам воды на каскаде Ангарских ГЭС. В настоящее время на распространение и трансформацию примесей в атмосфере Байкальского региона влияют не только выбросы Ново-Иркутской ТЭЦ, но и другие промышленные выбросы [6].

Для описания распространения и трансформации примесей в атмосфере, а также выявления причинно-следственных связей широко используются математические модели, позволяющие оценить возможные последствия тех или иных воздействий на окружающую среду. С использованием модели эйлерова типа были выполнены исследования распространения и трансформации аэрозольных частиц от пяти крупных источников Приангарья и Южного Прибайкалья с учётом кинетических процессов конденсации, испарения и

коагуляции с шагом сетки по горизонтали 10 км [1]. В результате получены характеристики атмосферной циркуляции в рассматриваемом регионе и вычислено поле течения и турбулентные характеристики. На фоне полученной атмосферной циркуляции решалась задача переноса газовых примесей с учётом фотохимической трансформации, в результате чего образуются пары серной кислоты, а также другие вторичные загрязнители. Далее рассматривались процессы образования нуклеационной моды, после чего была смоделирована динамика формирования аэрозольных частиц с учётом кинетических процессов конденсации, испарения и коагуляции. Характеристики атмосферной циркуляции рассчитывались с помощью термодинамической модели. Учтена фотохимическая трансформация примесей, кинетические процессы конденсации, испарения и коагуляции. Однако по расчётам этой модели наиболее загрязняется средняя часть озера Байкал на высоте 250 м, хотя по данным фактических измерений наименее загрязнены средняя и северная части озера. Наблюдаются области повышенного загрязнения сульфатами в Южном Забайкалье, занятом достаточно высокими хребтами (высота отдельных вершин достигает 1700-1800 м), а данных измерений о том, что на вершинах хребтов повышены концентрации сульфатов, не имеется. При расчётах в работе шаг сетки выбран так, что влияние горных хребтов, окружающих озеро Байкал, не учитывалось.

В работе Ю.А. Анохина и других [2] оценены антропогенные потоки ряда элементов из атмосферы на зеркало озера на основе простых балансных соотношений и аналитических решений. Для оценки вклада 15 основных промышленных источников, расположенных в районе Байкала, использовалась простая тра-екторная модель. Существенным недостатком этой модели является то, что вертикальное распределение примесей предполагается равномерным, а также не учитывается влияние рельефа местности.

Для исследования процессов переноса, диффузии и трансформации аэрозолей и газовых примесей в районе Байкала была разработана нелинейная нестационарная пространственная модель, основанная на численном решении полуэмпирического уравнения турбулентной диффузии примеси [3]. Для верификации этой математической модели была проведена серия численных экспериментов по данным экспедиционных наблюдений летом 1992 г. в районе озера

Байкал. Проанализированы промышленные объекты городов: Иркутск, Ангарск, Усолье-Сибирское, Черем-хово, Зима, Шелехов, Байкальск. Получено, что коэффициенты корреляции между расчётными и измеренными концентрациями имеют значения: 0,7 для сульфатов и 0,8 для нитратов. Относительные ошибки не превосходили 40% для сульфатов и 50% для нитратов. При этом среднее квадратичное отклонение составляло соответственно 30% и 25%. Наибольшее отклонение рассчитанных значений от экспериментальных концентраций связано с влиянием удалённых источников. Выполненные расчёты при помощи модели (с шагом по горизонтали 5 км) также позволили оценить средние годовые выпадения сульфатной серы и нитратного азота в южной части Байкала, что хорошо согласуется с натурными наблюдениями контроля снежного покрова.

Цель данной работы - исследование процессов распространения и трансформации примесей для оценки влияния Ново-Иркутской ТЭЦ на акваторию озера Байкал методом численного решения уравнения турбулентной диффузии.

В задачи исследований входит изучение процессов распространения и трансформации соединений серы и азота, а также твердых аэрозолей, выбрасываемых в атмосферу Ново-Иркутской ТЭЦ, и их возможное влияние на акваторию Южного Байкала.

Методы исследования. Моделирование переноса выбросов Ново-Иркутской ТЭЦ на акваторию оз. Байкал проводилось с использованием нелинейной нестационарной пространственной модели, основанной на численном решении полуэмпирического уравнения турбулентной диффузии примеси [3]. Используется система уравнений в следующем виде:

— + V х - Ш — =

д/

дх.

= у ±к — - ЛБ + ^ '

1=1 дхг дхг где f - время; V = (ы,у,~м) - вектор скорости; и, V -горизонтальные и ш - вертикальные компоненты вектора скорости движения воздуха вдоль осей декартовой прямоугольной системы координат (х1, х2, х3);

$ = {^} - тензор массовых концентраций исследуемых примесей 0=1, ..., п); К1, К2, К3 - коэффициенты турбулентной диффузии по осям х1, х2, х3 соответственно; = {ЛукХ^)} - матричный оператор, описывающий взаимодействие различных субстанций между собой и их локальные изменения; ¥(х^/) -

вектор-функция, источники примесей; -

тензор скоростей гравитационного оседания субстанций; п - количество субстанций в многокомпонентной среде.

Имея в виду решение задачи о распространении примесей над региональной областью, предполагаем фоновое распределение концентраций субстанций известными. Из-за отсутствия детальной информации

наблюдений в качестве начальных условий приняты равные фоновому распределению, а при его отсутствии 5;=0.

В качестве краевых условий приняты:

—- = 0 при х 1 = 0,Х, дх

д-дХ2 д$-

дх.

= 0 при х 2= 0, У,

= 0 при х 3 =0,Н,

где х = 0; х = X; х2= 0; х2 = Y; х3= Н - границы области счёта.

На уровне подстилающей поверхности поставлено граничное условие, учитывающее отражение и поглощение примесей в зависимости от свойств подстилающей поверхности.

Уравнение турбулентной диффузии примеси вместе с начальными и граничными условиями численно интегрируется в декартовой системе координат с применением метода фиктивных областей. При решении задачи используется метод расщепления по физическим процессам. На каждом малом интервале времени рассматривается схема, состоящая из двух этапов. На первом этапе учитываются процессы переноса примесей по траекториям и турбулентной диффузии, на втором - локальные преобразования и влияние источников. Аппроксимация задачи по времени на первом этапе построена с помощью двуциклического полного расщепления. Используемая неявная схема покомпонентного расщепления даёт решение для некоммутативных операторов со вторым порядком аппроксимации по времени и координатам.

1

(Е + 0,5 А/Л 7 = (Е - 0,5 А/Л )Бп,

2 1

п+— п—

(Е + 0,5АЛ2)Б 7 = (Е-0,5А/Л2)Б 7,

3 2

п-\— п-\—

(Е + 0,5А/Л )$ 7 = (Е - 0,5А/Л )$ 7,

4

ин—

$ 7 = $

3

п+7 + 2А/^п

(Е + 0,5А/Л )$ 7 = (Е - 0,5А/Л )$

6

ИН—

(Е + 0,5А/Л)$ 7 = (Е-0,5А/Л)$

5

пн— 7

6

пн— 7

(Е + 0,5 А/Л )$п+1 = (Е - 0,5 А/Л )$

где Е - единичная матрица.

На втором этапе при решении системы уравнений химической кинетики применена монотонная неявная схема первого порядка аппроксимации. Сравнение численных решений уравнения турбулентной диффузии примеси с известными аналитическими решениями нестационарного и стационарных уравнений распространения примесей показало, что они согласуют-

ся с аналитическими решениями с удовлетворительной степенью точности как на высоте источника, так и у поверхности земли.

Анализ полученных результатов. Моделирование процессов распространения примесей проводилось в области площадью 200x200 км2 и высотой 4 км над поверхностью озера Байкал. Шаги по времени и горизонтали составляли соответственно 150 с и 1 км; шаг по вертикали задавался следующим образом: до высоты 350 м он равнялся 50 м, далее - 150 м, 500 м, 1000 м и 2000 м. Начальная концентрация молекулярного азота ^2) принималась равной 0,93 кг/м3; молекулярного кислорода (О2) - 0,297 кг/м ; воды (Н20) -2,23х10-4 кг/м3; молекулярного водорода (Н2) - 10-7 кг/м3. Коэффициенты турбулентной диффузии рассчитывались с использованием соотношений полуэмпирической теории турбулентности. Интенсивность выбросов твёрдых взвесей, диоксидов серы и азота задавалась по данным годового отчета за 2008 г. по Ново-Иркутской ТЭЦ. Высота источников выбросов составляла 180 и 250 м. Интенсивность выбросов взвешенных веществ составила 7119,2 т/год, диоксида серы - 18993,3 т/год, диоксида азота - 9007,6 т/год.

При оценке распределения атмосферных выбросов учтено влияние рельефа местности в Прибайкалье. Для этого были сделаны расчёты с учётом рельефа местности и без него. Выявлено, что с учётом рельефа местности при северо-западном ветре скоростью 2 м/с Приморский хребет и Олхинское плато задерживают примерно третью часть примесей.

Примеси по долине реки Ангара переносятся к озеру Байкал. На рис. 1 приведены изолинии рассчитанных приземных концентраций твёрдых взвесей в регионе Южного Байкала при северо-западном ветре. Твердые взвеси, поступающие с выбросами, уменьшают поступление к Земле ультрафиолетовых лучей

и задерживают перемещение углекислого газа в вышележащие слои атмосферы, что может привести к увеличению температуры и, соответственно, к образованию парникового эффекта.

Распределение сульфатов при северо-западном ветре скоростью 2 м/с представлено на рис. 2. Как видно из рисунка, над акваторией озера и в районе пос. Танхой наблюдаются значения концентраций сульфатов 1,2 мкг/м3 и выше. Концентрации диоксида серы над озером достигают 1 мкг/м3 и выше (рис. 3), диоксида азота - более 0,08 мкг/м3 (рис. 4). Расчёты показывают, что все рассматриваемые примеси переносятся по долине реки Ангара к пос. Листвянка. Далее через акваторию озера Байкал они переносятся к пос. Танхой и оседают на склонах хребта Хамар-Дабан. Увеличение выбросов в атмосферу приводит к нарушению практически всех природных биогеохимических циклов. Рассматриваемые выбросы НовоИркутской ТЭЦ, такие как диоксид серы и диоксид азота, относятся к наиболее вредным веществам, поступающим в атмосферу при антропогенном влиянии. И хотя в данном случае они считаются локальными загрязнениями, при их регулярном поступлении они могут не только накапливаться в атмосфере, но и вступать в химические реакции и трансформироваться в более вредные для окружающей среды вещества. Так диоксид серы и диоксид азота, соединяясь с водой, образуют кислотные дожди, которые при попадании в экосистемы, как водные, так и наземные, изменяют популяции организмов и могут даже менять видовой состав организмов, населяющих эти экосистемы. Особенно это нежелательно для экосистемы Байкала, хотя нормы предельно допустимых концентраций (ПДК) загрязняющих веществ, поступающих в экосистему озера Байкал с атмосферными выбросами, до сих пор не разработаны.

Рис. 1. Изолинии рассчитанных приземных концентраций твёрдых взвесей в регионе Южного Байкала при северо-западном ветре, мкг/м3

Рис. 2. Изолинии рассчитанных приземных концентраций сульфатов в регионе Южного Байкала при северо-западном ветре, мкг/м3

Рис. 3. Изолинии рассчитанных приземных концентраций диоксида серы в регионе Южного Байкала при северо-западном ветре, мкг/м3

12г

Рис. 4. Распределение концентраций диоксида азота в регионе Южного Байкала при северо-западном ветре,

в мкг/м3

Обращает на себя внимание факт того, что все рассматриваемые выбросы практически неизменной концентрации распространяются через акваторию озера к пос. Танхой и рассеиваются лишь в продольном направлении котловины Байкала.

Исходя из полученных результатов, можно заключить, что используемая модель переноса атмосферных выбросов с учетом рельефа местности и климатических факторов подходит для расчета распределения примесей над акваторией озера Байкал. Используя данную модель, можно анализировать перенос

выбросов Ново-Иркутской ТЭЦ и их влияние на экосистему Байкала. Это дает возможность картирования распределения атмосферных выбросов с учетом рельефа местности, что позволяет объективно оценить ситуацию.

Полученные результаты важны для разработки мониторинговых исследований влияния атмосферных выбросов на прибайкальскую территорию, а также для получения обоснованных прогнозных рекомендаций влияния антропогенного фактора на экосистему озера Байкал.

Библиографический список

1. Алоян А.Е., Пискунов В.Н. Моделирование региональной динамики газовых примесей и аэрозолей // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2005. Т. 41. № 3. С. 328-340.

2. Аэрозольное загрязнение атмосферы над озером Байкал и влияние на него промышленных источников / Ю.А. Анохин // Мониторинг состояния озера Байкал. Л.: Гидрометеоиздат, 1991. С. 44-50.

3. Аргучинцев В.К., Макухин В.Л. Математическое моделирование распространения аэрозолей и газовых примесей в пограничном слое атмосферы // Оптика атмосферы и океана. 1996. Т. 9. № 6. С. 804-814.

4. О состоянии озера Байкал и мерах по его охране в 2010 году: гос. доклад. Иркутск: Изд-во Сибирского филиала ФГУНПП «Росгеолфонд», 2012. 409 с.

5. О состоянии и об охране окружающей среды Иркутской области в 2012 году: гос. доклад. Иркутск: Изд-во Института географии им. В.Б. Сочавы СО РАН, 2013. 337 с.

6. Янченко Н.И., Баранов А.Н. Технико-геоэкологические аспекты распределения фтора при получении алюминия в Байкальском регионе // Проблемы региональной экологии. 2012. № 2. С. 51-55.

УДК 550.822.7

АЛГОРИТМ БУРЕНИЯ ГОРИЗОНТАЛЬНОГО СТВОЛА В ТРЕЩИНОВАТЫХ КАРБОНАТАХ РИФЕЯ В УСЛОВИЯХ АНОМАЛЬНО НИЗКОГО ПЛАСТОВОГО ДАВЛЕНИЯ, ЮРУБЧЕНО-ТОХОМСКОЕ НЕФТЕГАЗОКОНДЕНСАТНОЕ МЕСТОРОЖДЕНИЕ

© Р.У. Сираев1, Р.Х. Акчурин2, К.А. Чернокалов3, А.К. Сотников4, С.А. Сверкунов5, А.Г. Вахромеев6

Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Приведены результаты бурения первых эксплуатационных скважин на Юрубчено-Тохомском месторождении. В ходе анализа полученных данных выявлены закономерности, присущие названному месторождению. Предложены варианты бурения рифейских отложений, характеризующихся низкими пластовыми давлениями. Ил. 3. Табл. 1. Библиогр. 13 назв.

Ключевые слова: эксплуатационное бурение; горизонтальный ствол; поглощение; регулируемое давление.

ALGORITHM OF HORIZONTAL WELL DRILLING IN FRACTURED RIPHEAN CARBONATES UNDER CONDITIONS OF ABNORMAL LOW RESERVOIR PRESSURE AT YURUBCHENO-TOKHOMSKOYE OIL AND GAS CONDENSATE FIELD

R.U. Siraev, R.H. Akchurin, K.A. Chernokalov, A.K. Sotnikov, S.A. Sverkunov, A.G. Vakhromeev

Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.

The article presents the results of drilling the first production wells on Yurubcheno-Tokhomskoe field. The analysis of the obtained data allowed to reveal the regularities characteristic of the discussed field. The variants of drilling Riphean deposits that feature low reservoir pressures are proposed.

1Сираев Рафаил Улфатович, аспирант. Siraev Rafail, Postgraduate.

2Акчурин Ренат Хасанович, аспирант. Akchurin Renat, Postgraduate.

3Чернокалов Константин Александрович, аспирант. Chernokalov Konstantin, Postgraduate.

4Сотников Артем Константинович, аспирант. Sotnikov Artem, Postgraduate.

5Сверкунов Сергей Александрович, аспирант, тел. 89500505386, e-mail: dobro_75@mail.ru Sverkunov Sergey, Postgraduate, tel.: 89500505386, e-mail: dobro_75@mail.ru

6Вахромеев Андрей Гелиевич, доктор геолого-минералогических наук, профессор кафедры нефтегазового дела. Vakhromeev Andrei, Doctor of Geological and Mineralogical sciences, Professor of the Department of Oil and Gas Business.