Scienty

Фото: img.freepik.com

Специалисты Института озероведения РАН – Санкт-Петербургского федерального исследовательского центра РАН (ИНОЗ РАН – СПб ФИЦ РАН) и Института экологии Волжского бассейна РАН (ИЭВБ Сам ФИЦ РАН, г. Тольятти) создали математическую модель, предназначенную для оценки воздействия тяжелых металлов на водные ресурсы. Моделирование, проведенное для Куйбышевского водохранилища, выявило, что при сильных ветрах концентрация загрязняющих веществ, поднимающихся со дна, возрастает в 2-6 раз. Эта математическая модель может служить основой для принятия решений о необходимости дополнительной очистки воды на водозаборных станциях, водоочистных и водоподготовительных сооружениях в случае прогнозируемого усиления ветра до штормовой силы.

Куйбышевское водохранилище – самое большое искусственное озеро в Евразии, расположенное на реке Волге. Оно было образовано в 1957 году в процессе строительства Жигулёвской ГЭС вблизи Тольятти. Площадь водохранилища составляет 6450 км², объем – 58 км³, и оно играет важную роль в производстве электроэнергии и обеспечении судоходства. В непосредственной близости от водохранилища находятся крупные промышленные центры, включая Казань, Тольятти и Ульяновск, а также около 50 городов и посёлков, более 1900 сёл. Для них водоем является ключевым источником для орошения сельскохозяйственных угодий, водоснабжения предприятий и населения. Помимо этого, Куйбышевское водохранилище – востребованное место для отдыха и рыбалки.

Из-за значительного воздействия человеческой деятельности водохранилище постоянно накапливает различные загрязнения, в особенности тяжелые металлы. Среди них медь – один из наиболее часто встречающихся элементов, избыток которого в организмах живых существ способен вызвать острое отравление и даже гибель.

На протяжении периода использования Куйбышевского водохранилища, начиная с 1958 года, в его донных отложениях накопилось значительное количество тяжелых металлов. Металлы, удерживаемые на поверхности донных осадков и взвесей, при подъеме донных отложений повышают общее содержание загрязняющих веществ в водной среде. Негативное воздействие тяжелых металлов на живые организмы усиливается их стойкостью, длительностью сохранения в окружающей среде, быстрой аккумуляцией в гидробионтах и медленным выведением из организмов. Кроме того, вторичное загрязнение, связанное с повышенной концентрацией тяжелых металлов в акватории, значительно снижает качество водопользования. В связи с этим, для поддержания экологической стабильности подобных важных водных объектов необходимы методы, позволяющие определять концентрацию и прогнозировать распространение загрязняющих веществ.

«Чтобы справиться с этой задачей, была создана система моделирования внутренней нагрузки водного объекта тяжелыми металлами. Она включает в себя гидродинамическую модель «Волна», алгоритмы, описывающие двухфазный массоперенос, и схему, позволяющую учитывать разнофракционность донных отложений, вовлеченных в процессы подъема взвешенных частиц. Разработанная модель дает возможность определить количество загрязняющих веществ, попавших в водные массы из донных отложений, как при воздействии ветра, так и в результате деятельности человека», — делится ведущий научный сотрудник Лаборатории математических методов моделирования ИНОЗ РАН — СПб ФИЦ РАН, доктор геолого-минералогических наук Марина Шмакова.

Предлагаемый подход базируется на гидродинамической модели «Волна», которая обеспечивает возможность учета влияния течений, волн и ветров на процесс взмучивания донных отложений. Модель была проверена на практике для Куйбышевского водохранилища, используя данные о меди. В качестве исходных данных (включая концентрации и распределение тяжелых металлов, гидрометеорологические показатели, характеристики течений и другие параметры) были использованы материалы экспедиций, проведенных специалистами Института ЭВБ РАН в этом водоеме. Чтобы более детально смоделировать течения и перемещение частиц меди, ученые наложили на водоем регулярную прямоугольную сетку, разбившую всю его территорию на 143 562 расчетных узлов.

Сотрудники ИНОЗ — СПб ФИЦ РАН и ИЭВБ РАН провели моделирование внутренней нагрузки медью, рассматривая два гидрометеорологических сценария: безветренную погоду (при отсутствии ветра) и штормовые условия с ветром доминирующего направления, достигающим скорости 15 м/с. Полученные данные свидетельствуют о том, что во время шторма концентрация меди увеличивалась в 2–6 раз в прибрежных зонах Куйбышевского водохранилища и вблизи точек водозабора. Также на распределение концентраций оказывало заметное воздействие неровный ландшафт дна.

«Для определения необходимости дополнительной очистки воды на водозаборах, в цехах водоочистки и водоподготовки питьевой воды при возможном усилении ветра до штормовых значений, можно применять предложенный расчетный метод. Модель позволяет прогнозировать качество воды, если имеется достоверная информация о направлении и скорости ветра на три дня вперед. По словам Марины Шмаковой, разработанная моделирующая система универсальна и, при наличии необходимой информации, может быть применена для других водоемов, нуждающихся в регулярном экологическом мониторинге.

Изначально полученные данные исследования были обнародованы в научном издании «Вычислительные технологии».

Информация предоставлена СПб ФИЦ РАН