vmaitComputational Mathematics and Information TechnologiesComputational Mathematics and Information Technologies2587-8999Донской государственный технический университет10.23947/2587-8999-2023-7-4-22-29vmait-123Research ArticleMathematical Modelling (Математическое моделирование)Математическое моделирование распространения пыли от хвостохранилища в Алагирском ущелье РСО-АланияMathematical Modelling of Dust Transfer from the Tailings in the Alagir Gorge of the RNO-Alaniahttps://orcid.org/0000-0002-7105-3578КаменецкийЕ. С.KamenetskyE. S.

Каменецкий Евгений Самойлович, главный научный сотрудник лаборатории Математического моделирования, доктор ф.-м. наук

362027,г. Владикавказ, ул. Ватутина, 53

Evgeny S. , Doctor of Physical and Mathematical Sciences, Chief Researcher, Department of Mathematical Modeling

53, Vatutina St., Vladikavkaz, 362027

esk@smath.ruhttps://orcid.org/0000-0002-6934-6873РадионовА. А.RadionoffA. A.

Радионов Анатолий Анатольевич, научный сотрудник лаборатории Математического моделирования, кандидат технических наук

362027, г. Владикавказ, ул. Ватутина, 53

Anatoly A. Radionoff, candidate of technical sciences, Researcher, Department of Mathematical Modeling

53, Vatutina St., Vladikavkaz, 362027

aar200772@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-3997-0341ТимченкоВ. Ю.TimchenkoV. Yu.

Тимченко Василий Юрьевич, соискатель лаборатории Математического моделирования

362027, г. Владикавказ, ул. Ватутина, 53

Vasily Yu. Timchenko, graduate student, Department of Mathematical Modeling

53, Vatutina St., Vladikavkaz, 362027

timchenko.vasily@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0003-2718-5108ПанаэтоваО. С.PanaetovaO. S.

Панаэтова Ольга Софокловна, аспирант лаборатории Математического моделирования

362027, Владикавказ, ул. Ватутина, 53

Olga S. Panaetova, graduate student, Department of Mathematical Modeling

53, Vatutina St., Vladikavkaz, 362027

Южный математический институт Владикавказского научного центра РАНРоссияSouthern Mathematical Institute — the Affiliate of Vladikavkaz Scientific Center of the Russian Academy of SciencesRussian Federation202303012024742229Copyright © Каменецкий Е.С., Радионов А.А., Тимченко В.Ю., Панаэтова О.С., 20242024Каменецкий Е.С., Радионов А.А., Тимченко В.Ю., Панаэтова О.С.Kamenetsky E.S., Radionoff A.A., Timchenko V.Y., Panaetova O.S.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.cmit-journal.ru/jour/article/view/123Введение

Введение. Математическое моделирование аэродинамики горных ущелий и возможных техногенных выбросов в различных метеорологических условиях, особенно увеличивающих перенос загрязняющих веществ в направлении густонаселенных районов, является актуальным средством исследования этих процессов. Аэродинамика и климатические условия уникальны для различных горных ущелий, что требует проведения отдельного исследования для каждого конкретного случая. В работе рассматривается распространение пылевого аэрозоля от Унальского хвостохранилища, расположенного вблизи поселка Верхний Унал (Алагирское ущелье, РСО-Алания, РФ), в случае возникновения южных и юго-восточных ветров. При этих направлениях ветра пыль хвостохранилища переносится течениями воздуха в северном направлении, в сторону Алагира. Целью исследования является получение прогноза для приземной концентрации пыли с повышенным содержанием свинца, цинка и других элементов вблизи густонаселенных районов равнинной части РСО-Алания.

Материалы и методы

Материалы и методы. Модель учитывает ландшафт местности, приземные розы ветров и процессы осаждения пыли. Вычисления проводились для случая нейтральной стратификации и без учета влияния сезонных факторов с использованием математической модели, ранее опубликованной авторами.

Результаты исследования

Результаты исследования. Выполнен модельный прогноз распределения концентрации пыли. Проанализированы частоты и амплитуды осцилляций нестационарных струйных течений в поперечном сечении Алагирского ущелья. На основе данных спутникового зондирования земной атмосферы оценена повторяемость ветров, приводящих к переносу пыли в направлении густонаселенных районов.

Обсуждение и заключение

Обсуждение и заключение. Унальское хвостохранилище является источником загрязняющих веществ и за годы его существования загрязнение почвы может быть значительным. Авторами сделан вывод о необходимости полевых исследований почвы в районе Алагира и, возможно, принятия мер по ее рекультивации.

Introduction

Introduction. Mathematical modelling of the aerodynamics of mountain gorges is an actual means of studying possible man-made emissions in various meteorological conditions that increase the transfer of pollutants in the direction of densely populated areas. Aerodynamics and climatic conditions are unique for various mountain gorges. This requires a separate study for each specific case. The paper studies the distribution of dust aerosol from the Unal tailings dump, located near the village of Verkhny Unal (Alagir Gorge, RNO-Alania, RF), with south and south-easterly winds. With these wind directions, the dust of the tailings dump is carried by air currents in the north direction, towards Alagir. The aim of the study is to obtain a forecast for the surface concentration of dust with an increased content of lead, zinc and other elements near densely populated areas of the flat part of RNO-Alania.

Materials and Methods

Materials and Methods. The model takes into account the terrain, surface wind roses and dust deposition processes. The calculations were carried out for the case of neutral stratification and without taking into account the influence of seasonal factors using a mathematical model previously published by the authors.

Results

Results. The model prediction of the dust concentration distribution obtained from calculations is shown. The frequencies and amplitudes of oscillations of unsteady jet streams in the cross section of the Alagir gorge are analyzed. Based on the data of satellite sensing of the Earth’s atmosphere, the frequency of winds leading to the transfer of dust in the direction of densely populated areas is estimated.

Discussion and Conclusion. The Unal tailings dump is a source of pollutants and over many years of its existence, soil contamination can be significant. Field studies of the soil in the Alagir area and, possibly, measures for its reclamation are necessary.

горное ущельепыльхвостохранилищематематическая модельсложный рельефmountain ravinedustmine tailingsmathematical modelcomplex terrainReferencesСухинов А.И., Проценко С.В., Панасенко Н.Д. Математическое моделирование и экологическое проектирование состояния морских систем с учетом разномасштабной турбулентности с использованием данных дистанционного зондирования. Сomputational Mathematics and Information Technologies. 2022;1(3):104–113. https://doi.org/10.23947/2587-8999-2022-1-3-104-113Sukhinov A.I., Protsenko S.V., Panasenko N.D. Mathematical modeling and ecological design of the marine systems taking into account multi-scale turbulence using remote sensing data. Сomputational Mathematics and Information Technologies. 2022;1(3):104–113. (In Russ.). https://doi.org/10.23947/2587-8999-2022-1-3-104-113Белова Ю.В., Проценко Е.А., Атаян А.М. и др. Моделирование прибрежной аэродинамики с учетом лесных насаждений. Сomputational Mathematics and Information Technologies 2018;2(2):91–105.Belova Yu.V., Protsenko E.A., Atayan A.M., et al. Simulation of coastal aerodynamics taking into account forest plantations. Сomputational Mathematics and Information Technologies. 2018;2(2):91–105. (In Russ.)Каменецкий Е.С., Радионов А.А., Тимченко В.Ю. и др. Математическое моделирование распределения пыли по склонам горного ущелья от хвостохранилища, расположенного в Алагирском ущелье. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2020;11(1):118–134. https://doi.org/10.25018/0236-1493-2020-111-0-118-134Kamenetsky E.S., Radionoff A.A., Timchenko V.U., et al. Mathematical modeling of dust distribution from a mine tailings located in alagir’s mountain valley. Mining informational and analytical bulletin. 2020;11(1):118–134. (In Russ.). https://doi.org/10.25018/0236-1493-2020-111-0-118-134Каменецкий Е.С., Радионов А.А., Тимченко В.Ю. и др. Математическое моделирование распределения химических веществ и твердой фазы хвостов, осаждающихся на горных склонах в районе Фиагдонского хвостохранилища РСО-Алания. Устойчивое развитие горных территорий. 2022;14(3):349–361. https://doi.org/10.21177/1998-4502-2022-14-3-349-361Kamenetsky E.S., Radionoff A.A., Timchenko V.U., et al. Mathematical modeling of distribution of the chemicals and the solid phase of tailings deposited on the mountain gorge slopes near the Fiagdonskoye tailings, North Ossetia-Alania. Sustainable Development of Mountain Territories. 2022;14(3):349–361. (In Russ.). https://doi.org/10.21177/1998-4502-2022-14-3-349-361Kok J.F., Mahowald N.M., Fratini G., et al. An improved dust emission model — Part 1: Model description and comparison against measurements. Atmospheric Chemistry and Physics. 2014;14:13023–13041. https://doi.org/10.5194/acp-14-13023-2014Kok J.F., Mahowald N.M., Fratini G., et al. An improved dust emission model – Part 1: Model description and comparison against measurements. Atmospheric Chemistry and Physics. 2014;14:13023–13041. https://doi.org/10.5194/acp-14-13023-2014Roache P.J. Verification and Validation in Computational Science and Engineering. Albuquerque, NM: Hermosa Publishers; 1998.Roache P.J. Verification and Validation in Computational Science and Engineering. Albuquerque, NM: Hermosa Publishers; 1998.Stern F., Wilson R.V., Coleman H.W., et al. Comprehensive approach to verification and validation of CFD simulations Part 1: methodology procedures. Journal of Fluids Engineering. 2001;123:793–802.Stern F., Wilson R.V., Coleman H.W., et al. Comprehensive approach to verification and validation of CFD simulations Part 1: methodology procedures. Journal of Fluids Engineering. 2001;123:793–802.Stovern M., et al. Simulation of windblown dust transport from a mine tailings impoundment using a computational fluid dynamics model. Aeolian Research. 2014;14:75–83. https://doi.org/10.1016/j.aeolia.2014.02.008Stovern M. et al. Simulation of windblown dust transport from a mine tailings impoundment using a computational fluid dynamics model. Aeolian Research. 2014;14:75–83. https://doi.org/10.1016/j.aeolia.2014.02.008Turpin C., Harion J.L. Effect of the topography of an industrial site on dust emissions from open storage yards. Environmental Fluid Mechanics. 2010;10:677. https://doi.org/10.1007/s10652-010-9170-3Turpin C., Harion J.L. Effect of the topography of an industrial site on dust emissions from open storage yards. Environmental Fluid Mechanics. 2010;10:677. https://doi.org/10.1007/s10652-010-9170-3Алоян А.Е. Динамика и кинетика газовых примесей и аэрозолей в атмосфере. Курс лекций. Москва: ИВМ РАН; 2002. 201 с.Alojan A.E. Dynamics and kinetics of gas contaminants and aerosols in the atmosphere. Course of lectures. Moscow: IVM RAN; 2002. 201 p. (In Russ.).Берлянд М.Е. Современные проблемы атмосферной диффузии и загрязнения атмосферы. Ленинград: Гидрометеоиздат; 1975. 448 с.Berljand M.E. Modern problems of atmospheric diffusion and air pollution. Leningrad: Gidrometeoizdat; 1975. 448 p. (In Russ.).Teixeira M.A.C., Kirshbaum D.J., Olafsson H., et al. The atmosphere over mountainous regions. Frontiers in Earch Science. Frontiers Media SA: Lausanne; Switzerland. 2016. Pp. 162.Teixeira M.A.C., Kirshbaum D.J., Olafsson H., et al. The atmosphere over mountainous regions. Frontiers in Earch Science. Frontiers Media SA: Lausanne; Switzerland. 2016. Pp. 162.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.Chow F.K., De Wekker S.F.J., Snyder BJ. Mountain Weather Research and Forecasting, Recent Progress and Current Challenges. Springer-Verlag Berlin: Heidelberg; 2013. Pp. 750.Лолаев А.Б., Гурбанов А.Г., Дзебоев С.О. и др. Загрязнение прилегающих территорий в районе деятельности Садонского свинцово-цинкового комбината (Республика Северная Осетия-Алания). Вестник ВНЦ РАН. 2017;6(2):177–180.Lolaev A.B., Gurbanov A.G., Dzeboev S.O., et al. Contamination of adjacent territories in the area of the Sadon Lead-Zinc Plant (Republic of North Ossetia-Alania). Vestnik VNC RAN. 2017;6(2):177–180. (In Russ.).Гурбанов А.Г., Кусраев А.Г., Лолаев А.Б. и др. Геохимические особенности промышленных отходов мизурской горно-обогатительной фабрики (унальское хвостохранилище, республика Северная Осетия-Алания) как основа для оценки масштабов загрязнения ими почв прилегающих территорий. Геология и геофизика Юга России. 2018;(1):34–47. https://doi.org/10.23671/VNC.2018.1.11242Gurbanov A.G., Kusraev A.G., Lolaev A.B., et al. Geochemical features of Mizur mining and concentration factory industrial wastes (Unal tailing, republic of northern Ossetia-Alania) as a basis for the estimation of pollution scale by IT’S the soil of the adjacent area. Geology and Geophysics of Russia South. 2018;(1):34–47. (In Russ.). https://doi.org/10.23671/VNC.2018.1.11242Гурбанов А.Г., Шаззо Ю.К., Лескин А.Б. и др. Промышленные отходы Мизурской горно-обогатительной фабрики Садонского свинцово-цинкового комбината. Вестник Владикавказского научного центра РАН. 2012;12(4):27–40.Gurbanov A.G., Shazzo Yu.K., Leksin A.B., et al. Industrial waste from the Mizursk mining and processing plant of the Sadonsky lead-zinc plant. Vestnik VNC RAN. 2012;12(4):27– 40. (In Russ.).EPA. Iron King Mine and Humboldt Smelter. 2010. URL: https://www.epa.gov/air-emissions-factors-and-quantification/ap-42-compilation-air-emissions-factors (дата обращения: 09.10.2023).EPA. Iron King Mine and Humboldt Smelter 2010 URL: https://www.epa.gov/air-emissions-factors-and-quantification/ap-42-compilation-air-emissions-factors (accessed: 09.10.2019).Gillies J.A. Fundamentals of aeolian sediment transport: dust emissions and transport — near surface. In: Shroder, J. (еd. in Chief), Lancaster N., Sherman D.J., Baas A.C.W. (еds.). Treatise on Geomorphology. Academic Press: San Diego, CA: 2013;11:43–63.Gillies J.A. Fundamentals of aeolian sediment transport: dust emissions and transport – near surface. In: Shroder J. (еd. in Chief), Lancaster N., Sherman D.J., Baas A.C.W. (еds.). Treatise on Geomorphology. Academic Press: San Diego, CA: 2013;11:43–63.Pathirana A., Herath S., Yamada T. Simulating orographic rainfall with a limited-area, non-hydrostatic atmospheric model under idealized forcing. Atmospheric Chemistry and Physics. 2005;(5):215–226.Pathirana A., Herath S., Yamada T. Simulating orographic rainfall with a limited-area, non-hydrostatic atmospheric model under idealized forcing. Atmospheric Chemistry and Physics. 2005;(5):215–226.Lehner M., Whiteman C.D., Dorninger M. Inversion Build-Up and Cold-Air Outflow in a Small Alpine Sinkhole. Boundary-Layer Meteorology. 2017;(163):497–522. https://doi.org/10.1007/s10546-017-0232-7Lehner M., Whiteman C.D., Dorninger M. Inversion Build-Up and Cold-Air Outflow in a Small Alpine Sinkhole. Boundary-Layer Meteorology. 2017;(163):497–522. https://doi.org/10.1007/s10546-017-0232-7Issa R.I. Solution of the implicitly discretised fluid flow equations by operator-splitting. Journal of Computational Physics. 1986;62(1):40–65. https://doi.org/10.1016/0021-9991(86)90099-9Issa R.I. Solution of the implicitly discretised fluid flow equations by operator-splitting. Journal of Computational Physics. 1986;62(1):40–65. https://doi.org/10.1016/0021-9991(86)90099-9Hargreaves D.M., Wright N.G. In the use of the k-Epsilon model in commercial CFD software to model the neutral atmospheric boundary layer. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. 2007;95:355–269.Hargreaves D.M., Wright N.G. In the use of the k-Epsilon model in commercial CFD software to model the neutral atmospheric boundary layer. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. 2007;95:355–269.Muñoz-Sabater J. ERA5-Land hourly data from 1981 to present. Copernicus Climate Change Service (C3S) Climate Data Store (CDS). 2019. (Accessed on 01.11.2021). https://doi.org/10.24381/cds.e2161bacMuñoz Sabater J. (2019): ERA5-Land hourly data from 1981 to present. Copernicus Climate Change Service (C3S) Climate Data Store (CDS). https://doi.org/10.24381/cds.e2161bacMuñoz-Sabater J., Dutra E., Agustí-Panareda A., et al. ERA5-Land: A state-of-the-art global reanalysis dataset for land applications, Earth Syst. Sci. Data Discuss. [preprint]. In review, 2021. https://doi.org/10.5194/essd-2021-82Muñoz-Sabater J., Dutra E., Agustí-Panareda A., et al. ERA5-Land: A state-of-the-art global reanalysis dataset for land applications, Earth Syst. Sci. Data Discuss. [preprint]. In review, 2021. https://doi.org/10.5194/essd-2021-82Hersbach H., Bell B., Berrisford P., et al. ERA5 hourly data on pressure levels from 1959 to present. Copernicus Climate Change Service (C3S) Climate Data Store (CDS). 2018. https://doi.org/10.24381/cds.bd0915c6Hersbach H., Bell B., Berrisford P., et al. ERA5 hourly data on pressure levels from 1959 to present. Copernicus Climate Change Service (C3S) Climate Data Store (CDS). 2018. https://doi.org/10.24381/cds.bd0915c6MERRA-2 (NASA’s-Modern Era Retrospective-Analysis for Research and Applications. URL: https://gmao.gsfc.nasa.gov/reanalysis/MERRA-2/ (дата обращения: 09.10.2023).MERRA-2 (NASA’s-Modern Era Retrospective-Analysis for Research and Applications. URL: https://gmao.gsfc.nasa.gov/reanalysis/MERRA-2/ (accessed: 09.10.2023).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.