Метод та засоби прогнозування розповсюдження радіоактивних забруднень в проточних поверхневих водоймищах з урахуванням режимів роботи АЕС і ГЕС

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ПРОБЛЕМ БЕЗПЕКИ АТОМНИХ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЙ

УДК 504.064.2.001.18+504.45

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Метод та засоби прогнозування розповсюдження радіоактивних забруднень в проточних поверхневих водоймищах з урахуванням режимів роботи АЕС і ГЕС

21.06.01 - екологічна безпека

Сизоненко Володимир Петрович

Київ - 2008

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті загальної енергетики Національної академії наук України м. Київ

Науковий керівникдоктор технічних наук, академік НАН України Кулик Михайло Миколайович, директор Інституту загальної енергетики НАН України.

Офіційні опонентидоктор технічних наук, професор Лаврик Володимир Іванович, Національний університет «Києво-Могилянська академія», професор кафедри екології

доктор технічних наук, професор Сільвестров Антон Миколайович, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут», професор кафедри теоретичної електротехніки

Захист дисертації відбудеться “_10” липня 2008 р. о 10-00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 27.201.01 Інституту проблем безпеки атомних електростанцій НАН України за адресою: 03680, м. Київ, вул. Лисогірська, 12.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту проблем безпеки атомних електростанцій НАН України за адресою: 03680, м. Київ, вул. Лисогірська, 12.

Автореферат розісланий “_9_“__червня_ 2008 р.

Учений секретар

спеціалізованої вченої ради к.т.н., с.н.с. О. А. Кучмагра

техногенний поверхневий вода забруднення

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Робота багатьох промислових підприємств і всіх атомних електростанцій технологічно пов'язана з використанням великої кількості води та передбачає їх розміщення поблизу поверхневих водоймищ - річок озер і водосховищ. Тому, при можливих аваріях, вірогідність яких для України зростає в зв'язку зі збільшенням зносу основних фондів, надходження забруднень у водне середовище неминуче. Умови, що склались після Чорнобильської аварії, продемонстрували актуальність прогнозування впливу викиду радіоактивного забруднення у водне середовище й розробки заходів захисту від можливих наслідків викиду забруднення.

Наявність викидів радіоактивних забруднень у водне середовище з боку працюючих в штатному режимі АЕС вимагає застосування засобів прогнозування впливу таких викидів на стан поверхневих водоймищ та оцінки заходів, скерованих на зменшення негативного впливу таких викидів.

Наявність у водогосподарському комплексі (ВГК) ГЕС дає можливість використовувати їх режими для регулювання забруднення водосховищ. В процесі функціонування ГЕС можуть значно змінювати об'єми та рівні води у водосховищах, швидкості течій, час проходження водних мас по окремих водосховищах і всьому каскаду, а отже впливати на концентрації забруднень у водному середовищі. Тому зміни режимів експлуатації ГЕС може бути застосовано для зменшення шкідливого впливу забруднень на населення та навколишнє середовище. У зв'язку з цим виникає потреба в наявності засобів, що дають змогу оцінити вплив режимів експлуатації ГЕС на величину забруднення поверхневих водоймищ.

Існуючі методи прогнозування концентрацій забруднень в поверхневих водах або складні і мають високі вимоги до початкових даних, а також необхідного для обчислень комп'ютерного часу, або не забезпечують необхідної точності моделювання, оскільки спрощені моделі неприпустимо спотворюють процеси, які мають місце при переносі забруднень. Тому актуальною є розробка методу прогнозування розповсюдження забруднень високої точності без підвищення вимог до кількості початкових даних і часу реалізації на ЕОМ порівняно із методами, які використовують спрощені моделі.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася в рамках ряду тем і проектів:

- держбюджетної теми „Розроблення теоретичних та методологічних основ і засобів прогнозування довгострокового розвитку паливно-енергетичного комплексу України в умовах ринкових та екологічних обмежень” № ДР 0104U006763 (2006);

- держбюджетної теми "Розробка та вдосконалення методів та засобів дослідження довгострокового розвитку паливно-енергетичного комплексу України"(2003), № ДР 0204U000644;

- міжнародного проекту EMRAS, що проводиться при координації МАГАТЕ "Моделювання навколишнього середовища при забезпеченні радіаційної безпеки" (2005 - 2007).

Мета та задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є розроблення математичних моделей та засобів, що забезпечують прогнозування впливу режимів експлуатації АЕС і ГЕС на забруднення проточних поверхневих водоймищ на основі математичного моделювання переносу забруднень.

Досягнення поставленої мети вимагає вирішення наступних задач:

- проведення аналізу природних і техногенних чинників, що впливають на якість поверхневих вод;

- проведення аналізу обмежень, що накладаються на функціонування АЕС і ГЕС;

- проведення аналізу існуючого стану математичного моделювання процесів перенесення забруднень в поверхневих водах;

- визначення на основі накопичених даних вимірювань, чинників, які найбільш істотно впливають на процес транспортування забруднень;

- розробки математичної моделі переносу забруднення в поверхневому водоймищі;

- створення програмного комплексу, що дозволяє оцінити можливий вплив забруднення на якість води, забезпечує параметричну ідентифікацію моделі та її настройку за даними поточних вимірювань;

- моделювання розповсюдження забруднень у водних об'єктах і зіставлення одержаних результатів з даними вимірювань;

- проведення аналізу одержаних результатів і розробку рекомендацій для їх практичного використання.

Об'єкт дослідження - процес розповсюдження радіоактивних забруднень у проточних поверхневих водоймищах з урахуванням змін режимів експлуатації АЕС і ГЕС.

Предмет дослідження - динаміка концентрацій забруднень, які утворюються у проточних поверхневих водоймищах при змінах режимів експлуатації АЕС і ГЕС.

Методи дослідження. Для вирішення поставлених задач використані наступні методи: метод аналізу характеристик поверхневих вод України в зонах впливу АЕС і ГЕС; метод порівняльного аналізу різних моделей переносу забруднення у поверхневих водах і результатів моделювання; метод опису гідрологічних процесів за допомогою рівнянь гідродинаміки; метод опису процесів, залежних від передісторії, за допомогою звичайних диференціальних рівнянь із запізнілим аргументом; метод параметричної ідентифікації; метод чисельного моделювання на ЕОМ.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному:

- вперше розроблена камерна модель перенесення забруднень, що враховує час транспортування по водоймищу і розбавлення забруднення в неповному об'ємі камери в процесі перенесення;

- вперше розроблено метод прогнозування концентрацій забруднень в проточних поверхневих водоймах, які знаходяться під впливом АЕС і ГЕС, що використовує запропоновану камерну модель і забезпечує збільшення точності прогнозування без збільшення вимог до необхідного об'єму початкових даних і часу обчислень;

- у запропонованому методі подальший розвиток одержав спосіб настройки моделі за даними вимірювань в конкретних водоймищах, чим додатково досягається підвищення точності прогнозування. Це стало можливим завдяки малому часу реалізації запропонованої моделі на ЕОМ і застосуванню параметричної ідентифікації.

Практичне значення одержаних результатів полягає в наступному:

- розроблений науково-методичний апарат, заснований на модифікованій камерній моделі для визначення можливого впливу викиду забруднення на якість води в проточному поверхневому водоймищі;

- одержаний апарат забезпечує оцінку стану проточних поверхневих водоймищ в результаті надходження забруднень, при функціонуванні енергетичних об'єктів без збільшення вимог до кількості необхідних вимірювань при незначному математичному і програмному ускладненні камерної моделі;

- в результаті застосування в розробленому апараті параметричної ідентифікації, забезпечується адаптація моделі до конкретного водоймища за даними ретроспективних вимірювань або в процесі проходження забруднення;

- на основі дослідження впливу режимів роботи АЕС і ГЕС на величину концентрації радіоактивного забруднення показана можливість застосування запропонованого методу для оцінки водоохоронних заходів.

Результати роботи впроваджені в Державному комітеті України по водному господарству для розрахунку динаміки концентрацій в каскаді дніпровських водосховищ (довідка про впровадження результатів дисертаційної роботи від 27 березня 2007 р., затверджена начальником Управління комплексного використання водних ресурсів), в АРМ (автоматизоване робоче місце) еколога служби екологічної безпеки полігону для екологічного забезпечення заходів бойової підготовки (акт про реалізацію результатів наукових досліджень від 5 травня 2006 р., затверджений начальником військ РХБ (радіаційного, хімічного і біологічного) захисту Західного оперативного командування ЗС України), а також в Українському науково-дослідному Інституті гідрометеорології (УкрНДГМІ) при оцінці діапазону впливу водозахисних заходів (довідка про впровадження результатів дисертаційної роботи від 6 серпня 2003 р., затверджена директором УкрНДГМІ Міністерства екології і природних ресурсів України).

Особистий внесок здобувача. Наукові положення, що містяться в дисертації, отримані здобувачем самостійно.

При проведенні моделювання процесів розповсюдження радіоактивних забруднень в каскаді дніпровських водосховищ автор використовував дані гідрологічних вимірювань департаменту Гідрометеорологічної служби і Моніторингу Мінекоресурсів України та дані радіологічних вимірювань різних організацій, накопичені в базі даних УкрНДГМІ.

При проведенні моделювання процесів розповсюдження радіоактивних забруднень в русловій ділянці річки використовувалися дані Управління Регіонального Центру Навколишнього Середовища Франції і Електроенергетичної компанії Франції.

Роботи [1-3, 7-12] виконані автором особисто.

У наукових роботах [5, 6, 13, 14], опублікованих в співавторстві, особистим внеском претендента є моделювання процесів перенесення радіонуклідів в каскаді дніпровських водосховищ із застосуванням камерної моделі повного перемішування WATOX.

У роботі [6], опублікованій в співавторстві, особистим внеском претендента є класифікація шляхів надходження забруднень до поверхневих вод.

Апробація роботи. Основні результати роботи доповідались і обговорювались на семінарах і конференціях:

-«П'ятнадцятий Стокгольмський водний симпозіум», Стокгольмський Міжнародний Водний Інститут (м. Стокгольм, Швеція, 2005 р.) [9];

-«Тридцять п'ятий конгрес Міжнародного Товариства Гідрологів», Міжнародне Товариство Гідрологів (м. Сеул, Республіка Корея, 2005 р.) [10];

- "Екологічна безпека військової діяльності", Національний Науково-дослідний Центр Оборонних Технологій і Військової Безпеки України (м. Київ, 2005 р.) [3];

-"Актуальні проблеми військової екології" Національний Науково-дослідний Центр Оборонних Технологій і Військової Безпеки України (м. Київ, 2003 р.) [8];

-«Об'єднаний міжнародний семінар по моделюванню дії і впливу на токсикологію навколишнього середовища», університет м. Антверпен (м. Антверпен, Бельгія, 2002 р.) [11];

-«Третя міжнародна конференція з гідроінформатики "Гідроінформатика - 98"», Датський Гідрологічний Інститут (м. Копенгаген, Данія, 1998 р.) [12];

-«Підходи до вирішення протиріч, пов'язаних з використанням водосховищ - розвиток і управління», університет Сіті (м. Лондон, Великобританія, 1996 р.) [13];

-«Дія радіоактивних викидів на навколишнє середовище», МАГАТЕ (м. Відень, Австрія, 1995 р.) [14].

За матеріалами дисертації опубліковано 14 друкованих робіт, з них 9 самостійно. Матеріали публікувалися в 1 монографії, 2 наукових журналах, 2 збірках наукових праць і в 9 збірках матеріалів конференцій.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, чотирьох розділів, загальних висновків і списку літератури з 209 найменувань. Повний обсяг дисертації 174 сторінки, ілюстрації (32 малюнки і 5 таблиць) займають 23 сторінки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, сформульовано мету та задачі досліджень, вказано на зв'язок з науковими програмами, визначено новизну отриманих результатів та обґрунтовано їх практичну цінність.

Перший розділ дисертаційної роботи присвячено аналізу сучасного стану прогнозування розповсюдження забруднень в поверхневих водах при змінах режимів експлуатації АЕС і ГЕС під дією викиду забруднення і вибору напрямку досліджень.

Показано багатофункціональне призначення каскадів ГЕС, як частини водогосподарського комплексу, окреслено вимоги окремих водоспоживачів та водокористувачів щодо режимів функціонування ГЕС. Наведено загальні характеристики басейну р. Дніпро та окремих водокористувачів в межах України, типи та рівні забруднення окремих ділянок дніпровського басейну.

Надається опис радіаційної ситуації, що склалась в поверхневих водоймах України після аварії на ЧАЕС, характеристик викидів АЕС при роботі в штатному режимі.

Безпосереднє вивчення забруднення водоймищ шляхом систематичного узяття проб і проведення необхідних аналізів не уявляється можливим навіть за наявності необхідного фінансування. Такий метод через значну трудомісткість і велику похибку не може забезпечити необхідної просторової і часової деталізації для аналізу впливу викидів забруднень на якість води. Тому виникає задача проведення моделювання і, відповідно, вибору моделей. Моделювання також забезпечує можливість вирішення задач прогнозування і аналізу різних гіпотетичних ситуацій, які можуть виникнути, а також при оцінці впливу водоохоронних заходів.

Потреби аналізу процесів перенесення різних забруднень в поверхневих водоймищах, які мають різні характеристики, зумовили розробку і застосування великої кількості моделей в Україні і за кордоном. Серед багатьох фахівців, які зробили вагомий внесок до розробки методів прогнозування міграції забруднень поверхневих водоймах та впливу водоохоронних заходів, можна виділити роботи В. Борзилова, Є. Єременко, В. Лаврика, А. Кононовича, А. Коноплєва, І. Кришєва, Т. Сазикіної, А. Байер (A. Bayer), Р. Буш (R. Booth), Л. Монте (L. Monte), Я. Оніші (Y. Onishi), Л. Хакансон (L. Hakanson), Х. Хофер (H. Hofer), М. Шукер (M. Schuckler).

Необхідність прогнозування можливих ситуацій після аварії на Чорнобильській атомній станції (ЧАЕС) викликала появу ряду моделей, розроблених колективами працівників Інституту кібернетики ім. В. М. Глушкова, Інституту проблем математичних машин і систем та УкрНДГМІ під керівництвом В. Міхалевича, О. Морозова, О. Войцеховича.

Як показує аналіз науково-технічної літератури, на практиці використовують наступні моделі:

- тривимірні. Моделі цього класу дозволяють одержувати просторові поля швидкостей течій, температур, концентрацій звислих намулів, хімічних і радіологічних інгредієнтів, але вимагають великої кількості початкових даних і знання батиметрії водоймища. Виникають великі труднощі із визначенням граничних умов на кордонах вода - повітря і вода - дно. Такі моделі вимагають багато часу для проведення розрахунків;

- двовимірні. У таких моделях змінні усереднені по одній з координат, внаслідок чого тривимірна модель згортається у двовимірну. Такі моделі простіші ніж тривимірні, але вони як і тривимірні, вимагають великої кількості машинного часу для проведення обчислень, а також великої кількості даних, що описують початкові і граничні умови;

- одновимірні. Моделі такого типу описують динаміку середніх в перетині русла характеристик потоку. Усереднення рівнянь транспортування забруднення тривимірної моделі за двома координатами перпендикулярно напрямку потоку дає

, (1)

де - n-мірний вектор середніх за перерізом масових концентрацій для n змінних стану;

x - координата вдовж лінії течії;

Q - витрати води;

А - площа поперечного перерізу;

D_L - коефіцієнт подовжньої дифузії;

R - n-мірний вектор, що описує трансформацію середніх за перерізом змінних стану в результаті хімічних, біологічних і інших перетворень.

Такі моделі використовуються для опису перенесення забруднень в річкових руслах на відстанях істотно більших за ширину русла (у створах достатнього перемішування). Відповідно до зменшення розмірності моделі зменшуються вимоги до даних, що описують початкові і граничні умови, до інформації про рельєф дна водоймища, спрощується програмна реалізація, зменшується потреба в машинному часі для проведення розрахунків;

- нуль вимірні, або камерні. На відміну від попередніх ці моделі оперують не системами рівнянь в частинних похідних, а звичайними диференціальними рівняннями. При інтегруванні (1) по змінній x між двома перетинами одержують камерну модель повного перемішування (2). При побудові такої моделі робиться припущення, що вода, звислі намули і забруднення, які потрапляють в камеру (об'єм між двома перетинами), повністю миттєво і рівномірно перемішуються з водами камери.

, (2)

де - вектор концентрацій в камері (середніх у об'ємі камери);

- вектор концентрацій забруднення, що надходить до камери;

Q_inf - витрати води, що надходить до камери;

Q - витрати води, що витікає з камери;

V - об'єм камери;

R*(C*, P*) - вектор трансформацій забруднення в результаті хімічних біологічних і інших перетворень.

Завдяки простоті, значному зменшенню вимог до кількості початкових даних і можливості реалізовувати нестаціонарні процеси, моделі цього класу широко використовуються. Але необхідно підкреслити, що модель ідеального перемішування розраховує середні в об'ємі камери концентрації, які можуть значно відрізнятися від концентрацій в різних місцях камери;

- концептуальні моделі - це найпростіший тип моделей, що описує поведінку забруднень у водоймищах на основі ряду спрощуючих припущень. Можуть використовуватися для попередньої оцінки ситуації, що вимагає ретельнішого подальшого аналізу на основі чисельних моделей.

В свою чергу специфіка задач, пов'язаних з оцінкою впливу режимів експлуатації АЕС і ГЕС на концентрацію забруднень, з метою використання змін режимів як водоохоронного заходу вимагає:

- необхідної часової та просторової точності прогнозування розповсюдження забруднень у водосховищі;

- можливості адаптації засобів оцінки до конкретної ситуації в умовах малої кількості даних натурних вимірів;

- роботи в режимі наближеному до режиму реального часу в ситуації аварійного викиду забруднення.

Проведений в розділі аналіз чинників, які підлягають врахуванню при створенні методу для прогнозування концентрацій забруднень у поверхневих водах для оцінки впливу режимів експлуатації АЕС і ГЕС, приводить до висновку про необхідність побудови камерної моделі підвищеної точності.

В другому розділі здійснено розробку методу прогнозування розповсюдження забруднення у поверхневому водоймищі з урахуванням впливу режимів експлуатації АЕС і ГЕС на основі камерної моделі із запізнілим аргументом.

Для цього проведено аналіз водоймищ України, що знаходяться в межах впливу АЕС і ГЕС та зроблено висновок, що це - проточні водоймища, які за динамікою течії можуть бути умовно розділені на слабо- і сильнопроточні. Такий поділ обумовлюється застосування різних гідрологічних моделей для кожної групи водоймищ.

Аналіз сучасних засобів формалізації обмінних та седиментаційно-змучувальних процесів, які мають місце при перенесенні забруднень у поверхневих водоймищах, дозволив зробити наступні висновки:

- існуючі методи визначення параметрів обміну забруднення в системі вода-дно і в системі вода-зважені намули роблять можливим вживання в моделях лише одностадійного обміну, що приводить до необхідності його застосування як компромісу між точністю і складністю. Такий підхід дозволяє описати обмінні процеси в кожній із систем вода-дно і вода-зважені намули за допомогою трьох параметрів - коефіцієнту рівноважного розподілення, часу сорбції і часу десорбції (K_d, , );

- застосування існуючих на сьогодні методів розрахунку транспорту наносів характеризується великими похибками, що приводить до висновку про доцільність застосування одного з простих і часто використовуваних методів.

Шляхом порівняльного аналізу даних вимірювань концентрацій радіоактивних забруднень, які розповсюджувались в каскаді дніпровських водосховищ після катастрофи на ЧАЕС і результатів, одержаних за допомогою камерної моделі повного перемішування, визначено причини, що знижують її точність і обмежують область застосування. Виявлено, що дуже грубим є припущення звичайної камерної моделі про повне, моментальне і рівномірне перемішування водних мас в об'ємі камери, оскільки завдяки ньому ігнорується час перенесення водних мас і перебільшується роль дифузії.

Щоб врахувати вплив часу транспортування і дифузію в розробленій моделі (UNDBE) передбачається, що кожна порція води, яка надходить в камеру разом із забрудненням, переміщається від втоку до витоку камери, не розбавляючись і не трансформуючись. Це означає, що в рівнянні (1) D_L = 0 і . Розв'язок такого рівняння має вигляд:

, (3)

де Q/A = u - середня швидкість течії;

L - довжина лінії току в камері;

L/u - час транспортування водних мас по камері.

Окрім того, після закінчення транспортування, досягнувши витоку з камери, водні маси повністю і рівномірно перемішуються в частині об'єму камери, трансформуються і взаємодіють із зваженими наносами і донними відкладеннями, як в камерній моделі повного перемішування (рис.1).

З урахуванням (3) для об'єму перемішування V/n, розташованого біля витоку камери, можна записати

, (4)

де - вектор концентрацій середніх не за об'ємом всієї камери, а лише за об'ємом її кінцевої частини V/n.

В результаті була отримана модель транспортування, яка описується системою звичайних диференційних рівнянь із запізнілим аргументом T_R= L/u. Запізнілий аргумент, що дорівнює часу транспортування водних мас, дозволяє врахувати той факт, що концентрацію на витоку з камери визначають ті водні маси, які знаходилися на втоку в момент часу (t - T_R).

Система рівнянь для i-тої камери, до якої вода потрапляє лише з (i-1)-ї камери має вигляд:

, (5)

де V_i - об'єм камери;

Q_i-1, Q_i, R_i, Q_i^w - витрати води з (i-1)-ї камери, i-тої камери, різниця опадів та випаровування, незворотне водоспоживання, відповідно;

C_i, C_i-1 - концентрації забруднення в розчині для i-тої та (i-1)-ї камери відповідно;

C_i^s, C_i-1^s - концентрації забруднення на зважених намулах для i-тої та (i-1)-ї камери відповідно;

C_i^h - концентрації забруднення на зважених намулах, які надходять до i-тої камери за рахунок ерозії берегів;

C_i^b - концентрація забруднення в шарі донних відкладень для i-тої камери;

S_i-1, S_i - концентрації зважених намулів для i-тої та (i-1)-ї камери відповідно;

R_i^h - надходження зважених намулів в i-ту камеру за рахунок ерозії берегів;

K_s, K_d - коефіцієнти рівноважного розподілення в системі вода-зважені намули і вода-дно відповідно;

M_i^b - маса донних відкладень, що бере участь у процесах обміну;

q_i^b, q_i^s - потоки ресуспензії і седиментації;

л - стала розкладу забруднення для радіонуклідів , де Т* - час напіврозпаду;

n - частина об'єму камери, в якій відбувається перемішування водних мас в процесі перенесення від втоку до витоку;

a_1,2, a_1,3 - коефіцієнти, що визначають швидкість обміну в системі вода-зважені намули і вода-дно відповідно.

, (6)

де ф_s, ф_ds - часові значення адсорбційних і десорбційних процесів відповідно для системи вода-зважені намули;

ф_sb, ф_dsb - ті ж параметри для системи вода-дно;

д_1,2, д_2,1, д_1,3, д_3,1- параметри, що визначають напрям руху забруднення при порушенні рівноваги і можуть бути визначені як:

. (7)

Модель передбачає опис поведінки забруднення в проточних водоймищах в розчині, на зважених намулах, в шарі донних відкладень і у вигляді зважених намулів з урахуванням обміну вода-дно і вода-зважені намули, чим забезпечується можливість моделювання широкого спектру забруднень.

Запропонована модель зберегла простоту звичайної камерної моделі (система звичайних диференційних рівнянь) і малий час комп'ютерної реалізації. Завдяки малому часу комп'ютерної реалізації отримано принципову можливість вирішення задач параметричної ідентифікації моделі за даними натурних вимірів.

В розділі наведено опис розробленого автором програмного комплексу, що реалізує запропоновану модель UNDBE, а також наведено методику прогнозування розповсюдження забруднень в поверхневих водоймищах для оцінки впливу режимів роботи АЕС і ГЕС на рівень забруднень.

У третьому розділі представлено перевірку адекватності запропонованого методу прогнозування розповсюдження забруднень шляхом зіставлення результатів його застосування з результатами вимірювань в ситуаціях реальних викидів забруднення у водне середовище, а також за допомогою співставлення з результатами, одержаними за допомогою інших методів.

Зіставлення проводилось методом чисельного моделювання на ЕОМ для слабо- і сильнопроточних водоймищ в різному часовому і просторовому діапазонах, при різному характері викидів і рівнях концентрацій забруднення, різних витратах води у водоймищах.

В якості слабопроточних водоймищ використовувались Київське і Канівське водосховища в ситуаціях надходження під час весняних повеней (1991, 1994, 1999 рр.) радіоактивного забруднення - стронцію (⁹⁰Sr). Радіонуклід потрапляв в водне середовище в результаті змиву з забруднених в результаті катастрофи на ЧАЕС територій. Відповідно до наявної частоти вимірів, моделювання проводилось з добовою і декадною часовою дискретністю протягом 5 - 6 місяців, які охоплювали тривалість повені. Кожне водосховище моделювалось однією камерою. В якості гідрологічної моделі слабопроточних водоймищ використано залежність об'єму водосховища від його рівня, яка наводиться в публікаціях і має вигляд поліному другого ступеня. Для ситуації, яка мала місце під час повені 1999 р. надано співставлення отриманих результатів з наявними в публікаціях результатами, одержаними за допомогою методів, що базуються на одно- і тривимірних моделях.

В якості сильнопроточного водоймища використано 350-ти кілометрову ділянку русла р. Луари (Франція), що включає п'ять притоків і перегороджена 14 водопідпорними зливними дамбами. В басейні річки розташовано п'ять атомних електростанцій з 14 ядерними реакторами, які в процесі функціонування здійснюють імпульсні викиди радіоактивного тритію у воду. Динаміка концентрацій розраховувалась для 11 пунктів вдовж русла протягом півроку з дискретністю 1 година. Окремо моделювалось проходження поодиноких прямокутних імпульсів забруднення. Русло відображалось 33 камерами довжиною від 420 метрів до 37,6 км. В якості гідрологічної моделі сильнопроточного водоймища запропоновано використання відомої стаціонарної моделі ухилу вільної поверхні потоку, яка враховує поточні батиметричні характеристики русла (ширину потоку, площу поперечного перерізу), витрати води і шорсткість русла. Наведено співставлення отриманих результатів моделювання з наявними результатами, одержаними за допомогою методів, що базуються на трьох різних одновимірних і камерній моделях.

Проведено параметричну ідентифікацію нової моделі по шістьох параметрах за даними про розповсюдження ⁹⁰Sr у Київському водосховищі та в системі Київське - Канівське водосховища. Завдяки отриманій можливості визначення діючих величини параметрів моделі досягнуто додаткове підвищення точності моделювання.

Порівняння результатів застосування запропонованого методу з результатами застосування методу, заснованого на камерній моделі повного перемішування, показує значне поліпшення співпадання даних вимірів і розрахункових даних для запропонованого методу, зменшення середньоквадратичного відхилення і зростання коефіцієнта кореляції виміряних і розрахункових даних (для викидів забруднень, які мали місце в 1994 р. в Київському водосховищі, у три рази і півтора рази відповідно).

Застосування методу до ситуацій, пов'язаних з слабопроточними водоймищами - водосховищами дніпровського каскаду демонструє збіг отриманих результатів з результатами вимірювань в межах похибки вимірювань (для 1994, 1999 рр.), а також показує відсутність значущих відмінностей між результатами застосування запропонованого методу і методів, які ґрунтуються на більш складних моделях.

Застосування запропонованого методу для випадку протяжної сильнопроточної ділянки річки з притоками, при наявності п'яти джерел залпового викиду забруднення, дозволило одержати результати, добре співпадаючі з даними вимірювань і аналогічні найкращим результатам, одержаним за допомогою методу, в основі якого лежить одновимірна спеціалізована модель.

Через те, що значення середньої швидкості течії важко точно визначити, час транспортування T_R розраховувався за формулою T_R = V/Q. Практичні розрахунки показали необхідність врахування для реальних водних об'єктів в якості V, не всього об'єму камери, а лише тієї частини, в якій відбувається витіснення старих водних мас новими (об'єму зовнішнього водообміну). Використання розробленого методу дозволяє визначити величину зовнішнього водообміну або закономірність її зміни за даними вимірювань концентрацій забруднення на втоку і витоку камери, що дає можливість при подальшому використовуванні методу для цілей прогнозування точно визначати час перенесення водних мас і забруднення по водоймищу.

В розділі наведено отримані значення об'єму зовнішнього водообміну для Київського водосховища - 11% поточного об'єму. Представлено визначену закономірність зміни об'єму зовнішнього водообміну в залежності від витрат води для р. Луари.

У четвертому розділі, з урахуванням особливостей запропонованого методу, а також на основі досвіду його застосування, проведена розробка вимог до гідрологічного і аналітичного забезпечення методу в умовах поверхневих водоймищ, які знаходяться в межах впливу АЕС і ГЕС України.

Представлено рекомендації по визначенню гідрологічних і обмінних параметрів камерної моделі неповного перемішування із запізнілим аргументом для конкретних водних об'єктів.

Продемонстровано можливість адаптації моделі до конкретного водосховища за даними натурних вимірів, що надходять під час викиду забруднення. (на прикладі ситуації, що мала місце в Київському водосховищі під час весняної повені 1994 р.).

Наведено опис обмежень на режими експлуатації ГЕС дніпровського каскаду.

В розділі представлено результати дослідження впливу режимів експлуатації Київської ГЕС на величину концентрації забруднення на витоку Київського водосховища на прикладі ситуацій 1991, 1994 рр. Досягнуто зменшення амплітудної концентрації ⁹⁰Sr на 10-25%. Таким чином, показано, що запропонований метод може бути застосований при визначенні можливості використання водоохоронних заходів у випадку надзвичайних ситуацій, пов'язаних з викидами забруднення у поверхневі води.

Проведено моделювання впливу змін в режимі викидів АЕС, що працюють в штатному режимі, на максимальний рівень концентрації ³Н в руслі р. Луари в 1999 р. Досягнуто зменшення максимальної концентрації ³Н в водах р. Луари на 35%. Таким чином, продемонстровано можливість зниження пікових значень концентрації забруднення завдяки змінам режиму викидів, без зменшення кількості забруднення, що надходить у водоймище.

ВИСНОВКИ

У дисертації наведено узагальнення та нове вирішення наукової задачі, що полягає в розробці методу прогнозування концентрацій забруднень в проточних поверхневих водоймищах з урахуванням впливу режимів роботи АЕС і ГЕС на основі математичного моделювання.

В дисертаційній роботі отримано наступні наукові і практичні результати:

1. Запропоновано модифіковану камерну модель перенесення забруднення із запізнілим аргументом. Застосування модифікованої камерної моделі на відміну від камерної моделі повного перемішування дозволило врахувати час транспортування забруднення і дифузію в частині об'єму камери при незначному ускладненні математичного апарату моделі без збільшення часу, потрібного для проведення обчислень на ЕОМ.

2. Малий час реалізації запропонованої моделі перенесення забруднення на ЕОМ забезпечує принципову можливість вирішення задач параметричної ідентифікації і, як наслідок, можливість адаптації моделі до конкретного водоймища та підвищення точності прогнозування.

3. Розроблений метод прогнозування розповсюдження забруднень, що базується на новій моделі не потребує збільшення кількості початкових даних і додаткових робіт по відбору проб і проведенню аналізів.

4. Проведені розрахунки і їх співставлення з даними вимірів показують, що запропонований метод забезпечує проведення прогнозування з похибками, прийнятними для практичного використання. В ряді випадків забезпечувалось проведення прогнозування з низькою похибкою, що не перевищує похибку вимірювання концентрацій забруднення.

5. Порівняння результатів застосування запропонованого методу з результатами застосування методу, заснованого на камерній моделі повного перемішування, показує суттєве збільшення точності моделювання - значне зменшення середньоквадратичного відхилення виміряних і розрахованих значень концентрацій забруднення і зростання коефіцієнта кореляції між ними. Для ситуації 1994 р. у Київському водосховищі в середньоквадратичне відхилення зменшилось в 3,36 рази, а коефіцієнт кореляції змінився з 0,44 до 0,67.

6. Дослідження впливу режиму експлуатації Київської ГЕС на процес перенесення забруднення в Київському водосховищі продемонстрували можливість застосування запропонованого методу для оцінки режиму експлуатації ГЕС в якості водоохоронного заходу. Для окремих ситуацій переносу забруднення в водосховищі досягалось зменшення амплітудної концентрації забруднення на 10-25% і можливість змін часу транспортування викиду по водосховищу до 14 діб.

7. Дослідження впливу режиму викидів АЕС, які працюють в штатному режимі в басейні р. Луари, продемонстрували можливість застосування запропонованого методу для оцінки режиму викидів АЕС в якості водоохоронного заходу. На конкретному прикладі продемонстровано можливість зменшення амплітудної концентрації забруднення на 35% за рахунок лише зміни режиму викидів, без зменшення кількості і характеру викидів забруднення.

8. Запропонований метод може використовуватися для оцінки наслідків викидів забруднень у поверхневі водоймища та доцільності застосування різних водоохоронних заходів в Міністерстві надзвичайних ситуацій і Державному комітеті України по водному господарству.

Основні положення дисертації опубліковані в роботах

Сизоненко В.П. К вопросу об оценке влияния режима эксплуатации Киевской ГЭС на концентрацию стронция-90 на вытоке из Киевского водохранилища // Проблеми загальної енергетики: Науковий збірник. - К., 2000.- №2. - C. 58-63.

Сизоненко В.П. Модели повышенной точности прогнозирования распространения радионуклидов в днепровских водохранилищах // Кибернетика и вычислительная техника: Межведомственный сборник. Сложные системы управления. - К.: 1997. - № 111, - C. 55-63.

Сизоненко В.П. Применение методики прогнозирования распространения загрязнений, возникающих в поверхностных водах территории военных полигонов в процессе боевой подготовки // Воєнно-екологічна думка. Актуальні проблеми екологічної безпеки військової діяльності: 3б. наук. праць ННДЦ ОТ і ВБ України. Випуск №1. - К., 2006. - С.81 - 89.

Сизоненко В.П., Ільченко В.В. Основні принципи моделювання розповсюдження небезпечних сполук військового походження в водних середовищах // Воєнно-екологічна думка. Актуальні проблеми екологічної безпеки військової діяльності: 3б. наук. праць ННДЦ ОТ і ВБ України. Випуск №1 - К., 2006. - С.75 - 79.

Радиогеоэкология водных объектов зоны влияния аварии на Чернобыльской АЭС: В 2 т. / Министерство Украины по вопросам чрезвычайных ситуаций и по делам защиты населения от последствий Чернобыльской катастрофы, Государственный комитет Украины по гидрометеороглогии, Национальная Академия Наук Украины; Под ред. О.В. Войцеховича. - К.: Чернобыльинтеринформ, 1998.- Т.2.: Прогнозы загрязнения вод, оценки рисков водопользования и эффективности водоохранных контрмер для водных экосистем зоны влияния Чернобыльской аварии. - 277 с.

Zheleznyak M., Shepeleva T., Sizonenko V., Mezhueva I. Simulation of Countermeasures to Diminish Radionuclide Fluxes from the Chernobul Zone via Aquatic Pathways // Radiation Protection Dosimetry. - 1997. - Vol.73, №1-4. - P. 181-186.

Sizonenko V. Models for improved accuracy prediction of radionuclide transport in the Diper reservoirs // Cybernetics and Computing Technology, Complex Control Systems, Allerton Press inc., -1998. - №111. -P. 47-54.

Сизоненко В.П. Методологія моделювання міграції радіонуклідів по дніпровському каскаду ГЕС // Актуальні проблеми військової екології: Збірник матеріалів науково-практичної конференції, 16 - 17 жовтня 2003 р., - К., 2003. - С. 49-50.

Sizonenko V. Possibility of Improvement of Management the Dnepr reservoirs in Conditions of Emissions of Radioactive Pollution // The 15th Stockholm Water Symposium August 21-27, 2005, Abstract Volume, Stockholm International Water Institute, Stockholm, Sweden, 2005. - P. 38-39.

Sizonenko V. A Numerical Box Model with Lagging Argument for the Simulation of ⁹⁰Sr Transport in the Kiev Reservoir // XXXI IAHR Congress, Korea Water Resorces Association, Sunggie Heights OFT.RM 401 702-13, Yeoksam-Dong, Kangnam-Gu, Seoul 135-917, Republic of Korea, 2005. Vol.1, P. 2361-2372.

Sizonenko V. A Numerical Box Model with Lagging Argument for the Simulation of ⁹⁰Sr Transport in the Kiev Reservoir // Program and Abstracts, Joint International Seminar on Exposure and Effects Modelling in Environmental Toxicology, University of Antwerp (RUCA), Belgium, 4-7 Febr. 2002. - Antwerp, 2005. - P. A8.

Sizonenko V. Increasing accuracy of the box model // Hydroinformatics 98 -Proceedings of the Third International Conference on Hydroinformatics, Copenhagen, Denmark, 24-26 August 1998. - Rotterdam: A.A.Balkema, 1998. - Vol. 1, P. 225-230.

Golovanov I., Sizonenko V., Zheleznyak M. Modelling of Strategies of Water Reservoir Management under Impact of Accidental Radioactive Contamination // Proceedings of International Conference on Aspects of Conflicts in Reservoir Development & Management, City University, London, 1996. - City University, London, 1996. - P .433 - 442.

Marinets A., Papush L., Sizonenko V., Tschurlovits M., Zheleznjak M. Validation of models for radionuclide migration in rivers and reservoirs // International Symposium on Environmental Impact of Radioactive Releases, IAEA, Vienna, 8-12 May. 1995. - Extended Synopses IAEA-SM-339, IAEA, 1995. - P. 330 -331.

АНОТАЦІЯ

Сизоненко В.П. МЕТОД ТА ЗАСОБИ ПРОГНОЗУВАННЯ РОЗПОВСЮДЖЕННЯ РАДІОАКТИВНИХ ЗАБРУДНЕНЬ В ПРОТОЧНИХ ПОВЕРХНЕВИХ ВОДОЙМИЩАХ З УРАХУВАННЯМ РЕЖИМІВ РОБОТИ АЕС І ГЕС - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за фахом 21.06.01 - Екологічна безпека, Інститут загальної енергетики Національної академії наук України, 2008.

Розроблено метод прогнозування розповсюдження радіоактивних забруднень з урахуванням впливу режимів роботи АЕС і ГЕС на концентрацію забруднення проточних поверхневих водоймищ, що використовує запропоновану камерну модель неповного перемішування із запізнілим аргументом і забезпечує збільшення точності прогнозування без збільшення вимог до необхідного об'єму початкових даних і часу обчислень на ЕОМ. Метод дозволяє оцінювати стан поверхневих водоймищ при надходженні в них забруднень, які утворюються при роботі в штатному режимі і при аварійних викидах, оцінювати можливий вплив водохоронних заходів.

Ключові слова: прогнозування, перенесення радіоактивних забруднень, поверхневі водоймища, камерна модель, запізнілий аргумент, АЕС, ГЕС, режим роботи.

АННОТАЦИЯ

Сизоненко В.П. МЕТОД И СРЕДСТВА ПРОГНОЗИРОВАНИЯ РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОАКТИВНЫХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ В ПРОТОЧНЫХ ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОДОЕМАХ С УЧЕТОМ РЕЖИМОВ РАБОТЫ АЭС И ГЭС. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 21.06.01 - Экологическая безопасность, Институт общей энергетики Национальной академии наук Украины, 2008.

Диссертационная работа посвящена разработке метода прогнозирования распространения радиоактивных загрязнений в поверхностных водоемах с учетом режимов работы АЭС и ГЭС.

На основании анализа расположения и специфики функционирования АЭС и ГЭС установлено следующее: водоемы, на которые в процессе функционирования могут оказывать влияние АЭС и ГЭС, имеют проточный характер; эти водоемы могут быть условно разделены на сильно- и слабопроточные; в ходе хозяйственной деятельности в поверхностные водоемы различными путями могут поступать загрязнения и создавать в воде опасные концентрации; в связи с износом основных фондов промышленных предприятий возрастает вероятность аварийных выбросов загрязнений.

Проведенный в работе анализ отечественного и заграничного опыта моделирования процессов переноса загрязнений в поверхностных водоемах, факторов, подлежащих учету при прогнозировании, ограниченность технических и аналитических возможностей привели к выводу о необходимости применения в качестве основы метода камерной модели повышенной точности.

Сопоставительный анализ данных измерений и результатов, полученных с помощью метода, использующего камерную модель полного перемешивания, показал, что основной причиной, снижающей точность этого метода, является допущение камерной модели о полном равномерном и моментальном перемешивании водных масс в объеме камеры. При таком допущении игнорируется время переноса и преувеличивается роль диффузии загрязнения.

В работе представлена модифицированная камерная модель, основанная на допущении о том, что процесс переноса загрязнения в камере протекает в два этапа. На первом этапе каждая поступающая в камеру порция воды вместе с загрязнением перемещается от втока к вытоку камеры, не разбавляясь и не трансформируясь. На втором этапе, достигнувшие вытока камеры водные массы полностью моментально и равномерно перемешиваются в некоторой части объема камеры, трансформируются и взаимодействуют с взвешенными наносами и донными отложениями как в камерной модели полного перемешивания.

Указанные допущения приводят к модифицированной камерной модели, описываемой системой обыкновенных дифференциальных уравнений с запаздывающим аргументом равным времени транспортировки водных масс. Модель предусматривает описание поведения загрязнения в проточных водоемах в растворе на взвеси, слое донных отложений, а также концентрацию самой взвеси с учетом межфазного обмена. Этим обеспечивается возможность прогнозирования распространения широкого спектра загрязнений, которые могут иметь место в поверхностных водоемах Украины.

Создан программный комплекс, реализующий предложенную модель. Проведена проверка адекватности предложенного метода путем сопоставления результатов его применения с результатами измерений в ситуациях реальных выбросов радиоактивных загрязнений в воду, а также путем сопоставления с результатами, полученными с помощью других методов. Проверка выполнена для сильно- и слабопроточных водоемов в различном временном и пространственном диапазонах, при различном характере выбросов и уровнях концентраций радиоактивного загрязнения, а также при различных расходах воды. Проверка показала значительное улучшение совпадения данных измерений и расчетных данных для предложенного метода, по сравнению с методом, использующим камерную модель полного перемешивания. Происходит уменьшение среднеквадратичного отклонения и рост коэффициента корреляции измеренных и расчетных данных. В ряде случаев имеет место совпадение полученных результатов с данными измерений в пределах погрешности измерений. Сопоставление результатов применения различных методов показало отсутствие значительных различий между результатами применения предлагаемого метода и методов, основанных на более сложных моделях переноса загрязнений.

Проведено моделирование влияния изменений режима выбросов действующих АЭС на максимальный уровень концентрации ³Н в русле р. Луары. Показана возможность снижения пиковых значений загрязнения благодаря изменению режима выбросов, без уменьшения суммарного количества поступающего загрязнения и характера выбросов.

С использованием предложенного метода проведено исследование влияния режима эксплуатации Киевской ГЭС на процесс переноса загрязнения в водохранилище.

Ключевые слова: прогнозирование, перенос радиоактивных загрязнений, поверхностные водоемы, камерная модель, запаздывающий аргумент, АЭС, ГЭС, режим работы.

ANNOTATION

Sizonenko V.P. METHOD AND MEANS of PROGNOSTICATION of DISTRIBUTION of RADIO-ACTIVE CONTAMINATIONS In SUPERFICIAL RESERVOIRS Taking into account the MODES WORKS of NPP And HPP - Manuscript.

Dissertation on the receipt of graduate degree of candidate of engineering sciences on speciality 21.06.01 - Ecological safety, Institute of general energy of the National academy of sciences of Ukraine, 2008.

The method of prognostication of distribution of radio-active contaminations is developed taking into account influence of the modes of operations of NPP and HPP on concentration of contamination of running superficial reservoirs, that uses the offered box model of incomplete interfusion with lagging argument and provides the increase of exactness of prognostication without the increase of requirements to the necessary volume of initial data and time of calculations on computer. A method allows estimating the state of superficial reservoirs at the receipt in them of contaminations which appear during work in the regular mode and at the emergency troop landings, to estimate the possible influencing of water-protection actions.

Keywords: prognostication, transportation of radio-active contaminations, superficial reservoirs, box model, lagging argument, NPP, HPP, mode of operation.

Размещено на Allbest.ru

...