Математическое моделирование распределения пыли по склонам горного ущелья от хвостохранилища, расположенного в алагирском ущелье

Добыча полезных ископаемых является источником переносимых по воздуху частиц загрязняющих веществ (ЗВ) в результате прямых выбросов и ветровой эрозии хвостохранилищ. Летние и сухие погодные условия способствуют насыщению атмосферы пылью и аэрозолями, содержащими тяжелые металлы, что является определяющим фактором для миграции элементов в природной среде. Рассеивание пыли и аэрозолей от Унальского хвостохранилища Садонского свинцово-цинкового комбината (ССЦК), расположенного вблизи селения Унал, Алагирский район, РСО-Алания, РФ, происходит в горном ущелье. Эти хвосты сильно загрязнены свинцом, цинком, мышьяком и другими элементами. С использованием вычислительной гидродинамической модели атмосферы моделируется перенос пыли от модельного источника в районе хвостохранилища и исследуется распределение пыли на склонах Алагирского ущелья. В модель включены региональные особенности ландшафта, характерные для местности розы ветров, а также уравнение переноса пыли. Расчеты концентрации ЗВ при различных направлениях внешнего ветра усреднялись с коэффициентами, равными вероятности соответствующего ветра в розе ветров. Установлено, что особенности ландшафта местности и характерное направление скорости ветра являются важными факторами, которые определяют пространственное распределение осажденной пыли. Сопоставление расчётов с результатами полевых измерений показывает удовлетворительное согласие.

Каменецкий Е.С., Радионов А.А., Тимченко В.Ю., Панаэтова О.С., Свердлик Г.И. Математическое моделирование распределения пыли по склонам горного ущелья от хвостохранилища, расположенного в алагирском ущелье // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2020. — № 11-1. — С. 118–134. DOI: 10.25018/0236-1493-2020111-0-118-134.

Каменецкий Евгений Самойлович^1,2 — докт. физ-мат. наук, профессор, главный научный сотрудник лаборатории математического моделирования, e-mail: esk@smath.ru ORCID: 0000-0002-7105-3578;
Радионов Анатолий Анатольевич² — канд. техн. наук, научный сотрудник лаборатории математического моделирования, ORCID: 0000-0002-6934-6873;
Тимченко Василий Юрьевич² — соискатель лаборатории математического моделирования;
Панаэтова Ольга Софокловна² — аспирант лаборатории математического моделирования, ORCID: 0000-0003-2718-5108;
Cвердлик Григорий Иосифович¹ — докт. техн. наук, профессор;
¹ Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный технологический университет), Республика Северная Осетия-Алания, г. Владикавказ, Россия;
² Южный математический институт Владикавказского научного центра РАН, Республика Северная Осетия-Алания, г. Владикавказ, esk@smath.ru.

Каменецкий Е.С., e-mail: esk@smath.ru

1. EPA. Iron King Mine and Humboldt Smelter. 2010. URL: https://www.epa.gov/ airemissions-factors-and-quantification/ap-42-compilation-air-emissions-factors (дата обращения 09.10.2019).

2. Gillies J.A., 2013. Fundamentals of aeolian sediment transport: dust emissions and transport — near surface. In: Shroder, J. (Editor in Chief), Lancaster, N., Sherman, D.J., Baas, A.C.W. (Eds.). Treatise on Geomorphology. Academic Press, San Diego, CA, vol. 11, Aeolian Geomorphology, pp. 43—63.

3. Kok J.F., Mahowald N.M., Fratini G., Gillies J.A., Ishizuka M., Leys J.F., Mikami M., Park M.-S., Park S.-U., Van Pelt R.S., and Zobeck T.M. An improved dust emission model — Part 1: Model description and comparison against measurements. Atmos. Chem. Phys., 2014, 14, pp. 13023—13041, DOI: 10.5194/acp-14—13023—2014.

4. Roache P.J. Verification and Validation in Computational Science and Engineering. Albuquerque, NM: Hermosa Publishers; 1998.

5. Stern F, Wilson RV, Coleman HW, Paterson EG. Comprehensive approach to verification and validation of CFD simulations Part 1: methodology procedures // J. Fluids Eng., 2001, 123, pp. 793—802.

6. Stovern M. at al. Simulation of windblown dust transport from a mine tailings impoundment using a computational fluid dynamics model // Aeolian Res. 2014, 14, pp. 75—83. doi:10.1016/j.aeolia.2014.02.008.

7. Turpin C., Harion J.L. Effect of the topography of an industrial site on dust emissions from open storage yards // Environ Fluid Mech. 2010, 10, pp. 677. https://doi.org/10.1007/ s10652—010—9170—3

8. Алоян А.Е. Динамика и кинетика газовых примесей и аэрозолей в атмосфере / Курс лекций. — М.: ИВМ РАН, 2002. — 201 с. — ISBN 5—901854—05—5.

9. Берлянд М.Е. Современные проблемы атмосферной диффузии и загрязнения атмосферы. — Л., Гидрометеоиздат, 1975. 448 с.

10. Дегтярева Т.В., Лиховид А.А., Лысенко А.В., Караев Ю.И. Региональные структуры миграции химических элементов в ландшафтах Северного Кавказа // Устойчивое развитие горных территорий. — 2018. − Т. 10. −№ 4. − С. 481—492.

11. Лолаев А.Б., Бадтиев Б.П., Бутюгин В.В., Бадоев А.С. Определение консолидационных характеристик хвостов намывных техногенных месторождений // Устойчивое развитие горных территорий. — 2017. − Т. 9. −№ 4. − С. 355—361.

12. Голик В.И., Соболев А.А., Дзапаров В.Х., Харебов Г.З. Перспективы разработки месторождений Садона // Устойчивое развитие горных территорий. — 2018. − Т. 10. −№ 3. − С. 420—426.

13. Лолаев А.Б., Гурбанов А.Г., Дзебоев С.О., Илаев В.Э. Загрязнение прилегающих территорий в районе деятельности Садонского свинцово-цинкового комбината (Республика Северная Осетия-Алания) // Вестник ВНЦ РАН. − 2017. Том 6. №2. − С. 177—180.

14. Атаева А.Ю., Свердлик Г.И. Разработка экспериментальной установки для исследования процессов очистки пылегазовых выбросов предприятий предгорной зоны // Устойчивое развитие горных территорий. — 2017. − Т. 9. −№ 1. − С. 92—97.

15. Петров Ю.С., Соколов А.А., Раус Е.В. Математическая модель оценки техногенного ущерба от функционирования горных предприятий // Устойчивое развитие горных территорий. — 2019. − Т. 11. −№ 4. − С. 554—560.

16. Петров Ю.С., Хадиков М.К. Математическая модель и алгоритм анализа экологической устойчивости транспортной системы горного региона // Устойчивое развитие горных территорий. — 2018. − Т. 10. −№ 3. − С. 427—435.

17. Teixeira M.A.C., Kirshbaum D.J., Olafsson H., Sheridan P.F. and Stiperski I., eds. The atmosphere over mountainous regions. Frontiers in Earch Science. — Frontiers Media SA, Lausanne, Switzerland, 2016, pp. 162. ISBN 9782889450169.

18. Chow F.K., De Wekker S.F.J., Snyder B.J. Mountain Weather Research and Forecasting, Recent Progress and Current Challenges. — Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2013, pp. 750. ISBN 978—94—007—4097—6.

19. Pathirana A., Herath S., and Yamada T. Simulating orographic rainfall with a limitedarea, non-hydrostatic atmospheric model under idealized forcing // Atmos. Chem. Phys. 2005, 5, pp. 215—226

20. Lehner M., Whiteman C.D., Dorninger M. Inversion Build-Up and Cold-Air Outflow in a Small Alpine Sinkhole // Boundary-Layer Meteorology, 2017, 163, pp. 497—522, DOI 10.1007/s10546—017—0232—7

21. Issa R.I. Solution of the implicitly discretised fluid flow equations by operatorsplitting // Journal of Computational Physics, 1986, V. 62, 1, pp. 40—65. https://doi. org/10.1016/0021—9991(86)90099—9

22. Hargreaves D.M. and Wright N.G. n the use of the k-Epsilon model in commercial CFD software to model the neutral atmospheric boundary layer // J. of wind engineering and industrial aerodymanics, 2007, 95, pp. 355—269

23. Shapiro A., Fedorovich E. Unsteady convectively driven flow along a vertical plate immersed in a stably stratified fluid // J. Fluid Mech. 2004, vol. 498, pp. 333—352. DOI 10.1017/S0022112003006803

24. Tan Z.M., Farahani M.M. An analytical study of the diurnal variations of wind in a semigeostrophic ekman boundary layer model // Boundary-Layer Meteorology, 1998, 86, pp. 313—332. https://doi.org/10.1023/A:1000694732459