Математическое моделирование процессов распространения взвесей в океане при добыче полезных ископаемых

Со смещением экологических проблем на глобальный уровень Мировой океан занял в них ведущее место, т.к. именно он формирует климат и вырабатывает половину кислорода нашей планеты. Экология океана тесно связана с использованием его ресурсов. Непрерывно возрастает значение океана как гигантской кладовой минерального и биологического сырья, а это порождает проблемы борьбы с разного рода загрязнениями, необходимостью прогнозирования последствий научной и промышленной деятельности человечества. Мировой океан мощный регулятор баланса кислорода и углекислоты в атмосфере. Его фитопланктон обеспечивает 50−70% общего объема кислорода, потребляемого живыми существами [1]- взаимодействие океана и атмосферы является важным фактором формирования погоды и климата.

С использованием Мирового океана связано развитие человечества, а также история многих государств. В наши дни для всё большего числа стран Мировой океан становится сферой научной и производственной деятельности. Современное человечество все больше осознает всеобъемлющее значение Мирового океана, как источника колоссальных запасов полезных ископаемых, биологических ресурсов, генератора и регулятора климата нашей планеты.

Стремительный рост мирового промышленного производства обусловил огромные масштабы спроса на все виды сырьевых ресурсов и, особенно на те из них, которые обеспечивали развитие таких важных отраслей промышленности, как энергетика, химия, производство строительных материалов и др.

Возникшие в ряде стран и регионов проблемы обеспечения быстрорастущих потребностей промышленности в минеральном сырье наряду с постепенным истощением разрабатываемых залежей минеральных ресурсов на суше заставили обратить внимание на ресурсы Мирового океана [2,3].

Мировой океан — перспективный источник минеральных ресурсов.

В настоящее время кроме нефти и газа океан обеспечивает 90% мировой добычи брома, 60% магния- 1/3 мировой добычи поваренной соли, расширяется добыча бокситов, фосфоритов.

Актуальность темы

исследования.

Более 100 лет назад на дне океана были обнаружены железо-марганцевые конкреции (ЖМК), содержащие около 30 элементов таблицы Менделеева[4]. Часть запасов конкреций оказалась рентабельной для получения таких важных металлов, как кобальт, никель, медь, магний, ванадий, молибден, марганец. Площадь дна, на которой в ходе поисковых работ обнаруживаются запасы ЖМК, постоянно увеличивается.

В настоящее время интенсивно ведутся работы по выявлению рентабельных месторождений, созданию и испытанию сверхсложной техники сбора и подъема на борт судна ЖМК и других ископаемых.

На повестку встает вопрос о добыче полезных ископаемых со дна океана, в частности, железо-марганцевых конкреций. Уже разведанные запасы в восточной части Тихого океана способны на многие десятилетия обеспечить потребности промышленно развитых стран в этом стратегическом сырье. С момента открытия этих месторождений в мировом сообществе продолжается дискуссия о возможном воздействии промышленной добычи на океанскую экосистему.

Однако разработка месторождений ЖМК в глубоководных районах океана неизбежно вызывает изменение природного равновесия как на дне океана, так и в толще воды. В процессе добычи ЖМК в верхние слои океана будут подниматься и сбрасываться донные илы, остатки твердых минералов, что вызовет образование «султана» взвеси больших размеров (порядка нескольких десятков километров), и следовательно изменение гидрохимических и гидробиологических условий, нарушение экосистем эвфотического слоя океана [5]. [6]. Наличие взвеси изменяет прозрачность океанской воды, ее температурный режим, концентрацию и состав питательных солей и т. д. Это в свою очередь приводит к изменениям в нижних этажах трофической пирамиды (уровень фитопланктона и зоопланктона) [7].

В прошлом столетии были проведены масштабные эксперименты, в частности, с донными дисторберами, которые позволяют дать прогноз воздействия добычи на донную систему этого района. Несмотря на ценность подобных исследований, они носят локальный характер, так как относятся к придонной части водной среды данного района, находящейся в океане глубоко под термоклинном [8], [9].

Поэтому задача прогнозирования транспорта взвесей в океане с учетом возникающих трехмерных течений, процессов диффузии и трансформации взвесей является актуальной.

В настоящее время отсутствуют надежные и качественные математические модели, на основе которых можно осуществлять прогноз распространения взвесей, неизбежно возникающих при добыче ЖМК. Поэтому актуальным является данное исследование, которое позволяет дать среднеи крупномасштабный прогноз последствий извлечения полезных ископаемых со дна океана, связанных с транспортом взвесей в деятельном слое океана. Предсказание и оценка состояния водной среды является важной и трудной задачей, для решения которой математическое моделирование может оказать неоценимую помощь, так как позволяет рассматривать поведение изучаемой системы при различных вариантах удаления донных илов, поднятых в процессе добычи. Это дает возможность сократить, а в ряде случаев и исключить крупномасштабные и дорогостоящие и экологически небезопасные эксперименты.

В настоящее время отсутствует физико-математическая модель, объединяющая пространственно-трехмерные процессы гидродинамики и транспорта взвесей. Построение и при’о:ение корректных моделей, описывающих пространственно-трехмерные процессы гидротермодинамики и транспорта взвесей и базирующихся на доступных, в частности, картографических данных о полях течений, распределении температур и соленостей, и является основной задачей данной работы.

Цель работы и задачи исследования.

Целью работы является построение комплекса взаимосвязанных пространственных трехмерных моделей, прогнозирующих распределение взвеси, имеющей сложный гранулометрический состав, а также разработка эффективных численных методов реализации построенной модели транспорта и трансформации взвесей для прогноза процессов последствий добычи ЖМК в восточной части Тихого океана. Это позволит избежать проведения крупномасштабных и дорогостоящих экспериментов по выработке оптимальных сценариев добычи твердых полезных ископаемых со дна океана.

Научная новизна.

Научная новизна состоит в следующем:

1. Произведена пространственно-временная оценка последствий подъема в процессе добычи холодных придонных вод и показано, что их воздействие от конкретного добычного комплекса ощутимо для масштабов 1−10 километров. Это позволило при оценке последствий добычи для масштабов десятки-сотни километров ограничиться рассмотрением влияния транспорта взвесей, имеющих сложный гранулометрический состав.

2. Предложена агрегированная модель гидротермодинамики и транспорта взвесей, позволяющая для различных сезонов года предсказывать последствия сброса илов на поверхности и в деятельном слое океана и учитывающая неравномерное распределение температур, соленостей, сложный рельеф дна и реальный гранулометрический состав взвесей.

3. Построены дискретные модели, удовлетворяющие основным законам сохранения, и разработаны вычислительно устойчивые и экономичные алгоритмы реализации объединенных дискретных моделей гидродинамики и транспорта взвесей.

4. На основе численных экспериментов с построенными моделями, определены границы районов Тихого океана, для которых последствия добычи ЖМК в провинции Кларион-Клипертон будут иметь существенное воздействие. Даны рекомендации по соотношению мощностей сбросов (в единицу времени) и глубин сбросов для типичных метеоусловий, при которых это воздействие не оказывает существенного влияния на близлежащие районы океана, являющиеся местами отдыха и интенсивной рыбопромысловой деятельности.

Практическая значимость.

Практическая ценность выполненной работы состоит в том, что разработанный набор дискретных моделей и программ, их реализующих, может быть применен для прогнозирования распространения взвесей и их влияния на оптические свойства фотического слоя океана, в районе Тихого океана, примыкающем к провинции Кларион-Клипертон.

После верификации предложенной транспортной модели, уточнения коэффициентов турбулентного обмена, граничных и начальных условий, ее можно использовать для решения практических задач улучшения водной среды в других районах Мирового океана, где проводятся сбросы взвесей, имеющих сложный состав.

Апробация работы.

Основные результаты диссертации докладывались на 5-ой Международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики, экономики и права (г. Москва, 2002 г.) — на 7-ой Международной конференции математического моделирования и анализа (Эстония, 2002 г.) — на 8-ой Международной конференции «Современные проблемы механики сплошной среды» (г. Ростов-на-Дону, 2002 г.) — на Международной конференции Parallel CFD (Испания, Jlac-Пальмас, 2004 г.) — на 10-ой Международной конференции «Математические модели физических процессов» (г. Таганрог, 2004 г.).

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В данной работе получены следующие основные результаты.

1. Построена непрерывная модель диффузии-конвекции взвесей, состоящих из многих фракций, между которыми возможны взаимные переходы и трансформации типа разложения частиц.

2. Определены характерные пространственно-временные масштабы гидротермодинамических процессов, протекающих в районе добычи ЖМК и показано, что влияние сброса придонных охлажденных вод носит мелко-среднемасштабный характер и им можно пренебречь для крупномасштабных (сотни-тысячи км) прогнозов.

3. Для непрерывной модели построены консервативные устойчивые разностные схемы, аппроксимирующие исходную задачу в областях сложной формы для граничных условий первого и третьего родов со вторым порядком точности относительно шагов пространственной сетки и с первым порядком относительно шага по времени, а также построены эффективные численные алгоритмы реализации дискретных моделей.

4. На основе построенных моделей, алгоритмов и программ выполнены численные эксперименты для ряда модельных задач, а также для реальной задачи прогноза распространения взвесей, состоящих из трёх фракций в районе добычи железомарганцевых конкреций, расположенном в рудоносной провинции Кларион-Клиппертон в восточной части Тихого океана. Показано, что мелкодисперсная составляющая ила может достигать района Гавайских островов при сбросе технологических отходов на поверхность океана.