1vvedenie_v_ekologicheskoe_modelirovanie

Рисунок 6.8 – Диапазон масштабов подземных процессов (из

Helmig, 1997) по (Kobus & de Haar, 1995)

Рост микроорганизмов в почве и материалах во доносного сло я зависит от наличия определенных растворов и веществ в режиме по д- земных вод (Chapelle, 1993). Переизбыток питательных веществ или накопление побочных проду ктов метаболизма может замедлить рост. Далее, питательные вещества могут адсорбироваться в повер хнос ть твер дых частиц, составляю щих пористую среду или образуют ко м- плексы с реактивными функциональными группами, присутствующ и- ми на границе жидкости и твер дых тел. «Полная» математическая м о- дель переноса биологически активных растворенных веществ должна

149

учитывать э ти особенности и нет серьезных концептуальных проблем, препятствующих построению такой у точненной модели. Однако в данном случае она не позволяет сравнить различные модельные по д- хо ды. Следовательно, являясь обобщенной относительно распределения биомассы в порах, настоящая модель будет о тноситься только к случаю, когда рост микроорганизмов ограничивается только одним субстратом и не замедляется продуктами или субстратами. Кроме того, предполагается, что между твердой фазой и составляющими др у- гих фаз нет физико-химических взаимосвязей и что перенос субстрата, ограничивающего рост, из фазы по движных во д в биомассу осуществляется только через фазу неподвижных вод.

150

Рисунок 6.9 - Схема четырех фаз по дземных вод

Было разработано несколько моделей для описания биологических пленок в порах. По мнению ( Kolbel et.al, 1998) выделяю тся три основные характеристики, относящиеся к морфологии колонии, мо р- фологии клеток и био химии. Био химические процессы в биопленке в некоторых случаях, особенно на границе поверхности и подземных вод (Castro & Hornberger, 1991), могут привести к изменению параметров системы, гидравлической проводимости за счет закупорки. Пон и- мание процессов биологической активности, ее влияния на то к вод и роли организмов, таких как пресноводные многоклеточные, в переносе и производстве питательных веществ, даст ценную информацию для более точного описания области взаимодействия земли и грунтовых вод.

7 ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ Управление водными ресурсами обычно осуществляется на ре-

гиональном или бассейновом уровне. Модели, построенные на гидр о- логических и экологических данных, по лучаются очень сложными, ч то препятствует их применению и требует упрощения на основе избра н- ных по казателей переменных. Хотя комбинирование гидрологически х и экологических моделей возможно, это требует от гидрологов большей точности, чем при решении чисто гидрологических задач. С ги д- рологической точки зрения необ хо димы дальнейшие исследования ограниченного числа соответствующих гидрологических и биологич е- ских показателей.

151

Существуют сложные модели, разработанные для отдельных регионов, но их применимость к другим регионам и справедливость получаемых в этом случае результатов требуют до казательств. Должны быть четко выражены ограничения и переносимость модели , а переменные рассмотрены с точки зрения возможности служить ключ е- выми показателями. При вво де такой информации в гидроэкологич е- скую модель особенно важно правильно выбрать масштаб. Иерархич е- ские модели предположительно имеют три уровня: ландшаф тный, локальный и микросред.

Физическая в своей основе, взаимосвязь гидрологии и экологии содержит большие неопределенности, возьмем к примеру завис имость реакции от дозы. Снижение такой неопределенности очень важная научная задача, но это ведет к усложнению процесса и, следовательно, моделирования. С точки зрения управления более предпочтительным кажется разработка стратегии работы с неточностями. Из многих экологических исследований можно сделать вывод, ч то снижение абиотической изменчивости в параметрах часто о тражается в снижении биологического разнообразия из -за снижения числа сред.

Таким образом, в управлении водными ресурсами должны быть найдены такие решения, ко торые поддерживаю т связи между подсистемами и поддерживаю т или восстанавливаю т или увеличивают изменчивость движущих абиотических параметров. Решения также должны поддерживать широкий спектр будущих возможностей упра в- ления или быть как обратимыми, так и возможными. С научной точки зрения это потребует процедур работы с неточными данными и оценки обратимости решений.

ЛИТЕРАТУРА

1.ARAL, M.M. (1990). Groundwater Modelling in Multilayer Aquifers. Lewis Publishers, Michigan.

2.BAVEYE, P. & VALOCCHI, A. (1989). An Evaluation of Mathematical Models of the Transport of Bio logically Reacting Solutes in Saturated Soils and Aquifers. Water Resour. Res. Vo l. 25, No. 6, 14131421.

3.CHAPELLE, F.H. (1993). Groundwater Microbiology Geochemistry. John Wiley and Sons, NY.

4.DE SMEDT , F. & WIERENGA, P.J. (1979). Mass Transfer in Porous Media with Immob ile Water. J. Hydrology, Vol. 41, 59-67.

5.FEDDES, R.A. (ED.) (1995). Space and Time Scale Variab ility and Interdependencies in Hydrological Processes. Cambridge Un iv. Press. Cambridge NY.

152

6.FEDDES, R.A., KABAT , P., VAN BAKEL, P.J.T., BRONSWIJK, J.J.B. & HALBERT SMA, J. (1988). Modelling of Soil Water Dynamics in the Unsaturated Zone: State of the Art. J. o f Hydrology 100: 69-111.

7.HELMIG, R. (1997). Multiphase Flo w and Transport Processes in the Subsurface. Springer Vlg. Berlin.

8.KOBUS , H. & U. DE HAAR (1995). Perspektiven der Wasserforschung, DFG, Bonn, Deutschland.

9.KINZELBACH, W. (1989) Groundwater Modelling. Develop ments in Water Science, Vo l. 25, Elsevier, A msterdam, The Netherlands.

10.KOLBEL, J., ANDERS, E. & NEHRKORN, A. (1988).

Microbial Co mmun ities in the Saturated Groundwater Enviro n ment.

Microbial Ecology 16: 31-48.

11.NACHTNEBEL H.P., KOVAR, K. & ZUIDEMA, F. (1993). Hydrological Basis for Eco logically Sound Management of Soil and Groundwater. IHP M.3- 1, UNESCO, Paris.

12.SIMUNEK, J., SEJNA, M. & VAN GENUCHTEN, M.T. (1996). Hydrus-2D – Simu lating Water Flow and Solute Transport in Two - Dimensional Variab ly Saturated Media. Int. Ground Water Modelling

Center, Co lorado, USA.

13.SUN, N.Z. (1995). Mathematical Modelling of Groundwater Po llution. Springer Vlg.

14.VALOCCHI, A.J. (1985). Validity of the local equilibriu m

Assumptions for Modelling Sorbing Solute Transport Through Ho mogeneous Soils. Water Resour. Res. Vo l. 21, No. 6, 808-820.

15.VAN GENUCHT EN, M.T. & WIERENGA, P.J. (1976). Mass Transfer Studies in Sorbing Porous Media 1. Analytical Solutions . Soil. Sci. Soc. Am. J . Vo l. 40, No.4, 473-480.

16.WYMORE, A.W. (1992). A Mathematical Theory of Systems Design. CRC Press, Boca Raton, Florida, USA.

17.ZEKT SER, I.S. & DZHAMALOV, R.G. (1988). Ro le of

Groundwater in the Hydrological Cycle and in the Continental Water Balance. IHP III Project 2.3, UNESCO, Paris.

153

7 ЗАГРЯЗНЕНИЕ ВОДНЫХ РЕСУРСОВ: Ф ИЗИЧ ЕСКОЕ И МАТЕМАТИЧ ЕСКОЕ ОПИСАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Лекция начинается с обоснования важности качества воды для защиты и управления природными ресурсами. Проблемы качества и количества воды взаимосвязаны и поэтому должны изучаться вместе. Такой подход и представлен в нашем исследовании

После обзора водных ресурсов и напоминания необхо димости воды хорошего качества для устойчивого экономического развития, анализируются способы управления качеством воды, ко торое основано на процессах построения и принятия решений.

Далее рассматривается математическое моделирование качества воды в одно- и двумерных задачах.

1 ПРОБЛЕМ Ы ЗАГРЯЗНЕНИЯ ВОДЫ

1.1 Значимость природных во дных ресурсов

Общий объем воды на земле оценивается в 13,6 x108 км3 (Wilson, 1974) и распределен следующим образом: 97.25 % в морях и океанах, 2.1% в ледниках, 0.62% в виде пресной воды в озерах, реках и грунтовых водах, а все оставшееся количество нахо дится в виде атм о- сферных испарений и в биосистемах. Важно отм етить, ч то из всего водного запаса на земле только 2.72% приходится на пресную воду. Если не принимать во внимание пресную воду, нахо дящуюся в полярных ледниках и ледовых покровах, то на долю рек и озер остается всего 1.5%, хо тя они и представляю т собой самую важную часть мирового запаса пресной во ды, все остальное содержится в грунтовых водах.

Для развития во дных ресурсов важно не ко личество осадков на единицу площади, а так называемое достаточное количество оса дков. Это общее количество осадков минус эвапотранспирация. Э то колич е- ство представляет собой потенциальные водные ресурсы и включает в себя воду, нахо дящуюся на повер хности, и воду, просач ивающуюся в почву. Для Европейского союза среднего довой объем осадков о цени-

вается в 1375 км3/год (97 см/год) и достаточное количество осадков в

678 км3/го д (48 см/год) (Bodelle & Margat, 1980).

154

В сегодняшней комплексной экономике водные ресурсы играют ключевую роль. В дополнение к тому, что пресная во да необ хо дима для всех видов жизнедеятельности, она также используется в сельском хо зяйстве и промышленности. Запас пресной воды используется в больших городах с пригородами для личного потребления, в муниц и- пальных системах во доотведения, промышленных водоочистных с о- оружениях и в сельском хозяйстве , для растворения и у даления грязи и отхо дов. Достаточный запас пресной во ды стал необ ходимым условием для обеспечения экономического роста и развития.

Рисунок 7.1 - Прямое и косвенное по требление водных ресурсов

ПРЯМОЕ

ПОТРЕБЛЕНИЕ

ЭКОСИСТЕМ Ы НАВИГАЦИЯ

ПРИРОДНЫЕ

ВОДНЫЕ

РЕСУРСЫ

СЕЛЬСКОЕ

ХОЗЯЙСТВО

КОСВЕННОЕ

ПОТРЕБЛЕНИЕ

ПИТЬЕВОЕ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ

В то же время, сохранение хорошего качества воды в реках, озерах, прибрежных во дах и водоносном слое необ ходимо для защиты здоровья населения и экосистем.

Так как по требление воды для различных целей увеличивается и загрязнения пагубно влияю т на качество воды, по д угрозой оказывается экономическое развитие и возникаю т конф ликты между разными прямыми и косвенными потребителями во ды (рисунок 7.1). Проблема далее обостряется в регионах, где до лговременная засу ха привела к уменьшению доступного количества воды, в то время, как потребности в воде все более увеличиваю тся.

155

Важность во дных ресурсов и проблемы количества и качества воды можно оценить, анализируя экономическую необхо димость и новые возможности рынка воды. По оценкам Williams & Musco, (1992) только стоимость управления муниципальной системой водоснабжения и водоотведения в Европейском Союзе составляет 14 миллиардов экю в год. На выпо лнение директив по муниципальному водопользования и по питьевой воде по оценкам, будет необ хо димо 20 миллиа р- дов экю к 1995 го ду. Для понимания пр облем водопотребления и решения проблем все возрастающего загрязнения ожидается, ч то уже на сегодняшний день огромный рынок воды будет расширяться за счет новых технологий, инвестиций и новых методов управления.

При решении проблем, связанных с во дными ресурсами, оказывается, ч то кроме научных и технических компонентов, существуют социальные, экономические и институциональные составляющие (р и- сунок 7.2).

Если представить водные ресурсы в виде системы (рисунок 7.2), то, в отличие о т природных водных подсистем , в системы водных ресурсов необходимо включить по дсистемы, созданные человеком (каналы, системы распределения, искусственные озера и т.д.) и админ и- стративную подсистему. Эти три подсистемы взаимосвязаны и подве р- гаются различным ограничениям социального, политического и экономического характера (рисунок 7.2). Вхо дными данными в систему являю тся информация, инвестирование, научные и технологич еские достижения, а выхо дными данными – водопользование, защита окружающей среды, новые технологии и т.д.

1.2Важнос ть качества воды

В управлении во дными ресурсами все более важную роль игр а- ет качество во ды, что сейчас эквивалентно ее количеству. В то время как загрязнение повер хностных, прибрежных и грунтовых во д увеличивается, становится необ ходимым применять интегрированный подхо д, включающий в себя контроль, как качества, так и ко личества во д- ных ресурсов (рисунок 7.3).

156

ОГРАНИЧЕНИЯ

Политические, социальные, экономические

Рисунок 7.2 - Описание системы водных ресурсов

Защита водных экосистем также требует, чтобы система водных ресурсов рассматривалась как система, состоящая из а биотических и биотических элементов.

Например, в прибрежных регионах самыми серьезными экологическими проблемами являю тся:

(1)Уменьшение прозрачности воды из-за высокой концентрации органических элементов, взвеси и питательных э лементов.

(2)Уменьшение запасов кислорода, связанное с его чрезмерным потреблением органическими веществами, азо том и фосфором. Так как кислород используется как хищными, так и травоядными живо т-

ными, недостаточная концентрация кислорода опасна для морских жителей.

157

Рисунок 7.3 - Абиотические и биотические элементы во дной системы

(3) Бактериологическое загрязнение, ставящее под угрозу не только чисто ту воды, но и жизнедеятельность моллюсков и устриц, что представляет собой основную угрозу для здоровья населения.

(4) Потеря места проживания и вторжение тропических видов животных. В Средиземном море появление новых видов во дорослей приписывается чрезмерному загрязнению.

(5) Евтрофикация из -за увеличения количества питательных веществ, таких как азота и фосфора.

Социальными предпосылками этих проблем в основном являются увеличение населения в прибрежной зоне и интенсивные сельско хозяйственная, промышленная и морская деятельность в прибре ж- ной зоне.

Со хранение качества воды гарантирует благополучие и здор о- вье лю дей, о дновременно благоприятствует разнообразию флоры и фауны данного района. Рыболовство и деятельность по разведению различных морских животных традиционны и очень важны в экономическом плане для данно го региона, поскольку предоставляю т раб о- чие места и пропитание для огромного количества населения, особен-

158