Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Математичне моделювання і прогнозування стану д....doc
Скачиваний:
0
Добавлен:
30.07.2019
Размер:
2.47 Mб
Скачать

Математичне моделювання абіотичних систем

1.Особливості абіотичних систем.

2.Розробка моделі штучного водосховища.

3.Декомпозиція складної технічної системи.

4.Моделювання підсистем.

5.Стиковка моделей підсистем.

1.

Рис.

Розміри куща і розміри каменя вибрані таким чином, що їх проекції (F) по горизонталі рівні .

На 2 системи впливає 1 фактор – вітер (Vв)

елементарна система: вітер-об'єкт.

Але при однаковій кількості складових, біотична система › складна, бо тут вдвічі › зворотних зв'язків (протидія і пристосування).

Коли діє вітер, кущ пристосовується, щоб зменшити дію фактору, бо на меншу проекцію діє < кінетична енергія вітру і опір (протидія) теж менший.

У каменя опір кінетичної енергії вітру (зворотна дія = прямій дії).

Тобто, принципова різниця між системами, в тому, що біотична система пристосовується, зменшуючи дію фактору.

Абіотична система може бути природною або штучною.

Наприклад, природна система – вітер діє на піщинку; щоб знайти ту швидкість вітру, яка підійме піщинку, необхідно зробити багато розрахунків: об'єм, маса піщинки і т.д.

У штучній системі, наприклад дорожнє покриття, ми маємо відомі матеріали і нам для визначення Vв треба набагато менше розрахунків, бо вже є багато стандартних розрахунків, програм, даних. Тобто, про штучну систему ми знаємо найбільше з т.з моделювання вона найпримітивніша.

2.Як приклад розглянемо моделювання штучного водосховища.

Мета: технічне значення, охолодження, рибогосподарське, рекреаційне. Нам необхідно зрозуміти мету моделювання і створити водосховище, бо це буде базою створення схеми.

Задачі моделювання:

1.Обгрунтувати режим заповнення водосховища.

2.Обгрунтувати режим експлуатації.

Необхідно проаналізувати різні етапи:

  • етап будівництва

  • етап експлуатації

  • виводу з експлуатації.

Для водосховища ми не розглядаємо вивід з експлуатації, бо при нормальній експлуатації, воно може діяти вічно.

Для багатьох галузей сьогодні проблема виводу з експлуатації найскладніша – АЕС, металургія(сталь забруднена кольровими металами.)

а)Спочатку необхідно розглянути межі системи.

Зробимо водосховище, перегородивши балку зі струмком.

а – межі системи, обираємо по межі (по площі) водозбору – по найбільших точках місцевості.

Необхідно враховувати природні фактори заповнене водосховища (дощі, струмки), та штучні фактори – набираємо насосом.

б)складові системи – необхідно перерахувати все до останнього хробачка для того, щоб при екологічній експертизі не виявилося червонокнижних організмів, якщо вони є – переселитися в такі ж умови. Але це дуже складно, бо вони всі повертаються на Батьківщину – це гени.

Тобто необхідно врахувати всі складові – живі, неживі і т.д, бо ми моделюємо екологічну систему.

в)визначення зовнішніх зв'язків системи – опади, підземні води, вітер (хвилі впливають на розмивання берегів, мутність води, розвиненість газів…), стадо тварин, які йдуть на водопій, сонячна енергія, втрати води внаслідок випаровування, занесення, заселення рослин.

г)внутрішні зв'язки – фактори : властивості ґрунту (вплив на забруднення) геологічна характеристика системи, циркуляція, розчинність газів, властивості води (утримання ґрунтового покриву).

Складові необхідно пов'язати зовнішніми і внутрішніми зв'язками.

д)збір фактичних(початкових) даних. До цього було все взагалі. Тепер збираємо фактичний матеріал. Наприклад найголовніша властивість ґрунту – інфільтрація.

Серед початкових даних необхідно геологічно-картографічна інфільтрація, вивчення карт.

Берег крутий, висота може сягати десятків метрів, нахил ≈ 30°. Такі дані нам необхідні для вирахування об'єму водосховища.

Ще необхідно зробити додаткові перерізи – вертикальні чи горизонтальні, щоб дізнатися ширину і довжину балки в різних місцях(висотах).

Таким чином ми отримали геодезичні дані для розрахунків процесу заповнення водосховища, процесів фільтрації, інфільтрації, випаровування і т.д.

Для інформації про заповнення необхідно знайти дані про кількість опадів, заміряну на найближчій до балки метеостанції (вони є в кожному районному центрі) – помісячно.

Ще необхідно дані про площу водозбору та про процеси фільтрації чи випаровування (t°, перепад t°, тиск, вітер, вологість повітря…).

Якщо на метеостанції брати середньорічну кількість опадів, то використовуємо середню за останні 10 років, а не за останні 100 років, бо вона може змінитися.

Необхідні дані про грунт – вологість, структура, коефіцієнт фільтрації (глибина залягання шарів), розчинність у воді, розмивання.

Необхідно також аналіз даних по рослинності і тваринності, бо тварини «какають» і відходи їх життєздатності змиваються дощами у водосховище; те ж саме з наближеними до водосховища складами отрутохімікатів, оброблених пестицидами і т.д.

В процесі експлуатації шкідливі речовини будуть накопичуватися і водосховище забрудниться настільки, що неможна буде просто зруйнувати дамбу, коли вона стане непотрібно – річка вмре. Тому необхідно це врахувати і ще : що там буде водитися, наприклад рачки більше не зможуть мігрувати до річки і їх тут буде забагато і т.д.

Найкраще збирати дані у вигляді таблиці.

Починати необхідно записувати з найбільших складових - і до найменших.

Характеристики збираємо по літературі, вони повинні мати посилки на джерела.

3.Система – це сукупність складових, більш-менш постійних у просторі і часі.

Декомпозувати систему можна різними шляхами (за різними принципами, залежно від мети).

Принципи декомпозиції:

1.Функціональний – найчастіше використовувати для моделювання, штучних систем, бо ми точно знаємо функції цієї системи та її складових.

У нашому прикладі складові:

-водозбір – збирає воду;

-балка – накопичує воду;

- гребля – затримує воду.

2.Технологічний принцип – теж для штучних споруд – декомпозиція з т.з. необхідних технологій і робіт:

-підсистема бетонних робіт(для греблі)

-підсистема гідрологічних робіт(під час заповнення і експлуатації водосховища).

3.Просторовий - подія з т.з. простору, наприклад Україна поділяється: східний регіон, західний, північний, південний, центральний. Він застосовується, коли ми хочемо вивчати географічно-біологічний аспект, соціальні аспекти (поділяються за адміністративними принципами).

4.Біологічний розподіл – застосовується в суто природних системах. За Гегелем – в основу кладеться популяція – популяційний підхід.

Якщо функціональний підхід, то

Для водозбору краще застосовувати при декомпозиції біологічний принцип, бо нас цікавить, що буде змиватися у водосховище з дощами. В модель вносяться лише характеристики, тому декомпозицію необхідно робити з огляду на наявність характеристик. Якщо характеристик немає, то в цьому напрямку декомпозицію не проводимо.

Усі назви (система, підсистема) є умовними, бо залежно від т.з – підсистема може бути система.

Стиковка моделей підсистем.

З т.зору Арістотеля «Складне – це більше, ніж просто сума складових».

В цьому полягає складність, бо у системи є свої властивості, а в підсистемі – інші.

Тому необхідно мати не лише характеристики найнижчого рівня, але й характеристики вищих рівнів. Стиковка складових повинна виконуватися лише за наявності характеристик. Характеристики нижчих рівнів ми поєднуємо для отримання характеристик вищих рівнів. Характеристики – це формули, які описують процеси в системі.

4.

1.Система (водосховище)

2.Гребля }

3.площа водозбору }підсистеми 1 рівня

4.водойма (ставки). }

З точки зору екології для греблі подія можна далі не продовжувати, а залишатися на 1рівні, бо це підсистема технічна.

Межа греблі – доповнити балку таким чином, щоб балка стала замкненим об'ємом.

Вимоги до греблі :

1.має бути абсолютно щільною, щоб вода не фільтрувалася, матеріал має бути біологічно неййтральним(не шкодить біоті і біота не шкодить їй).

2.також необхідно подумати про ціну матеріалу з якого будуємо, щоб не був занадто дорогим.

3.необхідно врахувати, може ми хочемо створити дорогу для транспорту, місця для рибалок, пляж.

4.треба передбачити технічні засоби для безаварійної експлуатації дамби. Це затвори – металеві щити, котрі можна піднімати і скидати воду в річку – це протипаводкові. Для поновлення води через кілька років чистки водосховищ необхідно передбачити повне осушення водосховища.

Вимоги до проектувальників: міцність, надійність, безпечність.

Гідростатика – коли водоймище нерухоме, навіть коли водосховище заповнюється, але спокійно, повільно рівень підіймається.

Гідродинаміка – коли вітер, хвилі, б'ють у греблю.

Р=Рст+ΔРдин

Р – тиск (гідростатична сила),кг

Рст – тиск статичний

ΔРдин – тиск динамічний

Рст =f(Hгідр, ρв, Lгідр…)

Fгідр = Lгідр · Hгідр

h= Hгідр/2 – це висота до Ц(центру)

ρв – густина

Рст= Fгідр· ρв·h=м2*кг*м/м3 [кг]

Змінюючи густину, ми можемо моделювати різні варіанти наповнення водосховища, можна порахувати Рст аварійне.

Розрахувати Рст, необхідно врахувати опір греблі, включаючи розрахунки, як її закріпити на місцевості.

Зв'язки : ρв – беремо з підсистеми водоймища(4)

Нгідр - //-// 3 водозбір

Розглянемо декомпозицію 3 водозбору

З1 –грунт

З2 – тваринний світ

З3 – рослинний світ

Якщо грунт однорідний, з однаковими властивостями, то більше не ділимо - З1 - чорний ящик.

Q0 =Qв +Qi +Q

Q= Q0 - Qв - Qi

Головне – вірно записати рівняння матеріального балансу.

Q0 = f(Qв ,t°,p, метеоумови) – це буде незалежний аргумент, постійна величина для певного регіону. Дані візьмемо в метеостанції.

Q0 = f(τ) (залежність від часу)

Qв2(Q0,tпов, tгрунту, V)

K – коефіцієнт інфільтрації

dпов - вологість повітря(абсолютна)

V – швидкість вітру

Qi - ƒ3(Q0, K)

tпов – беремо на метеостанції

dпов – беремо на метеостанції

tгрунту - у сільськогосподарських закладах

Vвітру - ніхто не дасть гарантії, яка точно швидкість вітру в даному місці, бо там ніхто не вимірюємо, тому беремо середнє.

Декомпозиція і моделювання підсистеми

Водосховище(ставок)

Ми повинні розглядати не лише програму заповнення, але й експлуатації.

Н- постійна величина

h- змінна величина

τпоч =0

Qводосх =0

Нгідравл = 0

h=var=0→ Нгідравл

0<h< Нгідравл

Процес заповнення – безперервний і його треба вирішувати у диференційній формі.

Qh=ΔQ0 +Δ Qс –ΔQв - ΔQi