Математическое моделирование распространения пыли от хвостохранилища в Алагирском ущелье РСО-Алания

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. 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. 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. 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.

1. Сухинов 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/10.23947/2587-8999-2022-1-3-104-113

2. Белова 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.

3. 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/10.25018/0236-1493-2020-111-0-118-134

4. Каменецкий 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/10.21177/1998-4502-2022-14-3-349-361

5. Kok 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-14-13023-2014

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

7. 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.

8. 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.2014.02.008

9. Turpin 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/s10652-010-9170-3

10. Алоян А.Е. Динамика и кинетика газовых примесей и аэрозолей в атмосфере. Курс лекций. Москва: ИВМ РАН; 2002. 201 с.

11. Берлянд М.Е. Современные проблемы атмосферной диффузии и загрязнения атмосферы. Ленинград: Гидрометеоиздат; 1975. 448 с.

12. 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.

13. 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.

14. 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.

15. 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.2018.1.11242

16. Гурбанов 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.

17. 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).

18. 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.

19. 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.

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):497–522. https://doi.org/10.1007/s10546-017-0232-7

21. Issa 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)90099-9

22. 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.

23. 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.e2161bac

24. Muñoz-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-2021-82

25. Hersbach 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.bd0915c6

26. MERRA-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).