1vvedenie_v_ekologicheskoe_modelirovanie

Управление окружающей средой – задача ко ллективная. Сю да вовлечены многие научные дисциплины.

Физика: гидрология, гидродинамика , метеорология, перенос энергии (излучение, свет, тепло) между озером, рекой и атмосферой и в водяном столбе.

Химия: кислород, химическое видообразование азота, фосфата, углерода.

Биология: экофизиология фито и зоопланктона, бактерии (пр е- образование органических веществ).

Математическое моделирование – это инструмент для исследования и управления.

Обучая экологическому моделированию, необ ходимо принимать во внимание следующее:

-сту денты должны учиться работать в ко ллективе разных спе - циалистов (математиков, физиков, химиков, биологов);

-замеры, обработка данных и интерпретация, моделирование должны преподаваться в комплексе;

-моделирование до лжно помогать научному коллективу не

только создавать числа и графики, но и проникать в суть проблемы;

-знания об окружающей среде до лжны по лучать все инженеры;

-модели - это инструменты исследователей, но они необходимы

менеджерам.

Моделирование окружающей среды – общая цель ученых и менеджеров.

ЛИТЕРАТУРА

1.WETZEL R.G., Limno logy, (1982, new edit ion recently), Sau n- ders College Publishing, 767 pages (in Eng lish).

2.Limnologie générale, 1995, M. M EYBECK, R. POURRIOT Ed-

« Modèles », dans : « La Seine en son bassin : Fonctionnement écologique et activité hu maine, M EYBECK M. Editeur, ELSEVIER, pages 679-717 (in French).

4.CHESTERIKOFF A., THEVENOT D., M OUCHEL J.M. et POULIN M., 1998, Chapitre « Le fleuve dans la ville ». dans "La Seine en son Bassin : Fonctionnement écologique et activités humaines", M. MEYBECK Editeur, ELSEVIER, pages 301-341 (in French).

269

5.POULIN. M., EVEN S., M OUCHEL J.M ., BILLEN G., GA RNIER J., LEVASSOR A., LEVIA NDIER T., de MARSILY G., 1999, Models of a river system. The Piren-Seine Program, in « Advances in Environmental and Ecolog ical Modelling », BLASCO F., W EILL A., Editors, ELSEVIER, pages 17-45 (in English).

270

11 МОДЕЛИРОВАНИЕ ВОДНЫХ ЭКОСИСТЕМ

ВВЕДЕНИЕ

Важной проблемой управления водопользованием является пр о- гнозирование эколо гического состояния во дного объекта при заданном сценарии внешних воздействий. Теоретические основы прогнозирования качества во ды на основе применения математических методов были сформулированы и частично применены на пра ктике уже к 80-м годам в работах со трудников Гидро химического института, Госуда р- ственного гидрологического института , ВНИИ ВОДГЕО и др. (см, на-

пример, Караушев, 1981; Фальковская и др., 1982; Родзиллер, 1984, Никаноров и др., 1991 и т.д.)

Вместе с тем, и по сей день остается актуальным выбор эффе к- тивно го описания механизма биогео химических процессов в водотоках и во доемах. По сути, далее каждая новая работа по моделированию экологического состояния природных объектов во дного хозяйства страны связана с продвижением в этой области, разработкой мето дических приемов, позволяю щих оценить характер протекающих хим и- ко-биологических процессов в конкретной водной экосистеме, отвечая на то т или иной поставленный перед специалистами вопрос.

Важное значение при этом имеет моделирование гидротермич е- ских процессов, обуславливающих условия функционирования водного биоценоза. В задачи данной работы не вхо дило подробное рассмо т- рение этой области моделирования объектов во дного хозяйства России. Тем не менее, представляется важным отметить деятельность научных шко л ака демика О.Ф.Васильева, В.М.Бело липецкого, В.И.Квона, Н.Н.Филатова, многие работы ко торых были посвящены по сути экологическим задачам и порой непосредственно использовались при моделировании состояния во дных экосистем озер: Байкала , Л а- дожского и Телецкого, водо хранилищ рек Енисея, Оби и.т.п. ( Васильев

идр., 1991; Vasiliev O.F., et al, 1994; Белолипецкий и др., 1991 и т.д.)

Вимитационных моделях водных экосистем, как правило, вос-

производятся природные биогео химические циклы соединений фо с- фора и/или азота, лимитирующих развитие гидробионтов в во доемах. Такой подхо д развит в исследовательских работах по экологическому моделированию различных во дных объектов России: Леонова и др., 1986, 1991 (оз.Кубенское, Ладожское оз. и т.д.), Крышева и др., 1990 (водные биоценозы в районе расположения Ленинградской АЭС); Меншуткина, 1993 (оз.Байкал, Дальнее и Ладожское); Умнова, 1997 (Нарочанские оз.) и т.д.

271

Данные исследования посвящены разработке имитационных моделей российских водных объектов. Натурные данные использую т- ся для проверки адекватности моде лей. Вместе с тем в ряде исследований получены качественные и количественные характеристики процессов продукции и деструкции, массо- и энергообмена в экосистемах, что весьма интересно с научной точки зрения и было бы крайне затруднительно или невозможно оценить другим путем (см работы Лео-

нова и др.).

Использование данных моделей в практической деятельности водо хозяйственных организаций затрудняется, в первую очередь, тем, что для расчетов по ним необ ходимы данные специальных натурных наблюдений, ко торые не вхо дят в стандартный перечень показателей, контролируемых службами мониторинга ОГ СНК (Tskhai, et al, 1994).

Прикладные эмпирические модели, рассчитанные на минимальный объем исходной информации, применимы лишь для интерпретации данных наблю дений. Попытки использовать такие модели для прогноза иногда приводят к нереалистичным результатам. В связи с этим актуальна разработка специальных имитационных моделей во д- ных экосистем. В этих моделях должны воспроизводиться приро дные биогеохимические циклы трансформации соединений, при этом вся входная информация должна сопоставляться с данными Государстве н- ной службы наблю дений. Такие модели, по мнению специалистов, должны быть инструментальными средствами водного мониторинга в России (Сафронова и др., 1997). Для этой цели предложена имитационная модель ―Биоген‖ (Tskhai, et al, 1997), ориентированная на использование стандартных данных Роскомгидромета (Федеральной службы РФ по гидрометеорологии и мониторингу окружающей ср е- ды).

При проектировании во до хранилищ достаточно частой является ситуация, когда во дного объекта еще не существует, и речь идет, по сути, об экологической оценке состояния будущего водоема с пом о- щью средств имитационного моделирования (Tskhai, et al, 1995). Результаты такого прогноза в совокупности с оценками экспертов, др у- гими косвенными соображениями служат дополнительными аргуме н- тами, в частности, при принятии решения о возможности зарегулирования речного стока в конкретных физико -географических и техногенных условиях.

В таком случае первоочередной задачей становится выбор р е- ально существующего водоема, аналога для проектируемого по хара к- теру гидро термических и био химических процессов, протекающих в экосистеме. Это нужно для того, ч тобы использовать численные зн а-

272

чения внутренних параметров имитационной модели, откалиброва н- ной на водоеме-аналоге, в прогнозных расчетах для проектируемого объекта. Подбор аналога, полностью идентичного будущему водохранилищу, разумеется, задача – неразрешимая, однако, в большинстве случаев удается найти во доем, нахо дящийся в той же географической зоне, со схо дными морфометрическими, гидрологическими характер и- стиками.

В простейшем случае прогнозирования качества воды в будущем водо хранилище ограничиваю тся оценкой дву х наиболее распр о- страненных показателей: био химической потребности в кислороде (БПК), характеризующей содержание спектра легкоокисляемых органических соединений и растворенного кислорода (РК). Такой подход далее излагается на примере проектируемого Богучанского водохр а- нилища .

Для более содержательного прогноза выбирают схему биохим и- ческой трансформации биогенных соединений, на основе которой становится возможным оценивать динамику содержания компонентов экосистемы. Причем важнейшим критерием выбора является - обеспеченность этой схемы вхо дными данными мониторинговых наблюдений.

Следующим шагом является предварительная оценка поступле - ний биогенных соединений в водоем, как с прито ками, так с боковой приточностью в водоем и возможные поступления с затапливаемых почв и с осадками.

Затем записывают математическую модель бу дущего объекта , которая может быть различной по пространственной сложности ко н- струкции: от точечной, в большинстве случаев, когда необ ходимо лишь оценить динамику усредненных характеристик качества во ды, - до многосекторной, о дно-, дву х- или трехмерной, в зависимости от вопроса, на который нужно найти ответ с помощью моделирования.

Следует учитывать, что любое усложнение или повышение размерности модели, как правило, ведет к резкому увеличению объема требуемой исходной информации, которая в большинстве случаев с а- ма по себе весьма приблизительна , что, разумеется, не способствует точности по лученных результатов. В связи с этим обычно стараются обойтись максимально простыми средствами, и если это возможно, например, при прогнозе трофности водоема, вообще без применения имитационного моделирования, с помощью анализа внешних потоков веществ, по добно тому, как сделано в работе Волленвейдера

(Vollenweider, 1975).

273

В случае, когда имитационную модель все же прихо дится стр о- ить, специальной задачей становится разработка большого числа ра з- личных сценариев изменения входных данных, максимально по лно охватывающих, в том числе, предельные случаи – для получения заслуживающих внимание результатов моделирования, которые затем подвергаю тся специальному анализу.

Важным вопросом при проектировании во до хранилищ - охладителей для строящихся ГРЭС и АЭС является прогнозирование распространения евтрофирования в нижнем бьефе, фактически - в речном бассейне. Особенность данной ситуации - в том, что для моделирования экосистемы водоема-о хладителя требуется решение нестационарной трехмерной гидро термической и химико-биологической задачи для водно го объекта сложной геометрии, ч то на сегоднящнем этапе является весьма тру доемкой задачей. Далее на примере Вер хне - Урюпского гидроузла (Обской бассейн) изложен упрощенный подхо д, позволяющий, тем не менее, сравнивать варианты эко логического во з- действия на реку при реализации различных проектных решений для столь сложного водно-технического комплекса.

1 СРАВНИТЕЛЬНЫЙ ПРОГНОЗ КАЧЕСТВА ВОДЫ ДЛЯ ДВУХ ПРОЕКТНЫХ ВАРИА НТОВ СООРУЖ ЕНИЯ БОГУЧАНСКОГО ВОДОХРА НИЛИЩА НА ОСНОВЕ МОДЕЛИ РКБПК

Наиболее простым и в то же время информативным методом расчета и прогнозирования качества воды в водоемах и водотоках являю тся модели типа РК-БПК, предложенные в свое время Стритером и Фелпсом (см., например, Бреховских, 1988).

В моделях э того типа предлагается учитывать широкий спе ктр легкоокисляемых органических соединений, нахо дящихся в во де, введением некой единой субстанции, именуемой биохимической потре б- ностью в кислороде или сокращенно БПК. Аббревиатура РК расшифровывается как "растворенный кислород". Простота измерения БПК и РК, наглядность и доступность данных делают э тот метод о дним из стандартных средств анализа качества воды . Величину БПК определяю т путем измерения суммарного потребления кислорода в течение

заданного момента времени, обычно это 5 суто к или 20 су ток. В зависимости от э того часто использую т обозначение БПК5 или БПК20 .

При формулировке модели и расчетах по ней все предположе - ния были сделаны таким образом, чтобы получить оценку снизу для кислородного режима. Другими словами, в работе представлена с и-

274

туация, при которой расчетная концентрация растворенного кислорода во все моменты времени будет ниже или совпадать с реальной. Ко н- центрация БПК оценивалась наоборот свер ху. Испо льзование э того подхо да позволяет получить при расчетах наиболее неблагоприятный случай динамики параметров качества во ды в проектируемом водохранилище.

Вработе (Tskhai, et al, 1998) используется модификация модели РК-БПК в приближении кинетики первого порядка, предложенная Доббинсом.

Впренебрежении продольной дисперсии примеси, для случая неустановившегося движения воды и нестационарных кинетических процессов уравнения модели РК-БПК выглядят следующим образом

C(x,t) - концентрация БПК в водо хранилище, г/м 3; D(x,t) - дефицит кислорода, г/м3;

x - продо льная координата вдоль русла, м; Q - расход воды , м3/сут;

B - ширина свободной повер хности водо тока, м; w - площадь поперечного сечения водо тока, м 2;

u Qw - средняя по сечению скорость во дотока , м/сут;

G - путевая нагрузка на единицу длины водо тока, характеристика неточечных источников загрязнений, г/м·сут.

J – межфазный массовый поток, г/ м 2сут;

K1 -коэффициент био химического распада БПК, cут-1; K2 - коэффициент реаэрации, cу т-1;

К3 - коэффициент физического удаления БПК, cу т-1. Дефицит кислорода D(x,t) определяется как

где O2 - со держание кислорода в во де;

O2S - предельная равновесная концентрация кислорода в воде -

может быть определена из эмпирического уравнения (см., например,

Леонов, 1991)

O2S = 14,61996- 0,4042 T - 0,00842 T2 - 0,00009 T 3 . (3)

Предполагается справедливой зависимость типа Аррениуса для коэффициентов реакции первого порядка Kj

Здесь T - температура воды, C . Константа A принимается равной 1,05 , а зависимость величин Koj от гидрологических характеристик определяется при параметризации модели.

Одной из самых серьезных проблем при использовании матем а- тических моделей в задачах прогнозирования является определение параметров или идентификация. Ввиду того, ч то исследуемый объект - Богучанское водо хранилище - не существует в природе, нельзя говорить о процедуре идентификации в полном смысле этого слова. Поэтому для определения констант модели прихо дится пользоваться характеристиками водоемов-анало гов. В качестве водоема-аналога далее рассматривается Усть-Илимское водо хранилище, сходное с проектируемым Богучанским по физико-географическим условиям, расположенное в той же природной зоне, имеющее близкие по величине значения характерных параметров.

Для идентификации модели Р К-БПК испо льзовалось аналитическое решение системы уравнений (1-4) в стационарном случае с постоянными коэффициентами. Значения искомых параметров Koj, G, J

оценивались применением метода Маквардта - градиентного мето да наименьших квадратов (Бокс и др., 1974).

В качестве критерия б лизости расчетных и натурных данных распределения концентраций РК и БПК испо льзовался критерий Тейла

F (Teil, 1971)

276

где n - число наблю дений; Xi и Yi - соответственно, расчетные и измеренные величины со держания веществ.

Врасчетах испо льзовались данные наблю дений на Моргудольском, Ершовском и Воробьевском участках Усть -Илимского водо хранилища .

Врезультате оптимизационных расчетов были получены сле -

дующие значения параметров модели: K01=0,0024 cут-1; K02=0,1062

сут-1; K03=0,0064 сут-1; G/w0=0,008 мг/л·сут; J·B0/w0=0,157

мг/л·сут; где w0 и B0 - средние площадь сечения и ширина свободной

поверхности на участке во до хранилища, выбранном для идентификации.

Соответствующие значения критерия Тейла - 0,13 и 0,22, ч то характеризует достаточную для экологических моделей точность оценки.

Обращает на себя внимание довольно низкое значение коэфф и- циента К01, характеризующего процесс биохимического распада БПК,

что, возможно, связано с общим высоким уровнем загрязнения вод Усть-Илимского водо хранилища. Очищение воды от органики проис-

хо дит в большей степени благодаря процессам физического удаления БПК (седиментация, адсорбция). Значение коэффициента K02, харак-

теризует достаточно высокий уровень аэрации водо хранилища в и с- следуемый период. Величина пу тевой нагрузки (параметр G) на участке, выбранном для идентификации, - на уровне природной, фоновой в отсутствие мощных источников сбросов или хо зяйственно -бытовых стоков. Баланс по токов кислорода - величина J - свидетельствует об активности процессов потребления кислорода донными отложениями в силу б лагоприятных условий для жизнедеятельности придонной биоты. В целом, можно сделать вывод о значительной роли придонных процессов в самоочищении вод Усть -Илимского во до хранилища.

Перед разработчиками был поставлен вопрос о сравнении ха - рактеристик качества во ды для дву х проектных вариантов эксплуатации Бо гучанского гидроузла. Первый из них соответствовал графику

277

эксплуатации с НПУ, равным 208 м БС, второй же - с НПУ, равным 173 м БС. Для ответа на поставленные предварительные вопросы было достаточно использовать простейшее нульмерное модельное приближение. Начальные условия для системы (1) были найдены из предположения о замыкании годовых циклов при проведении ра счетов для ряда лет с одинаковым внешним воздействием на экосистему водохр а- нилища

На основании выполненных модельных расчетов были сделаны следующие выво ды:

1)Способность во д реки Ангары к самоочищению за счет деструкции органических загрязнений в настоящий момент следует пр и- знать незначительной.

2)Создание Богучанского гидроузла приведет к неко торому снижению концентрации растворенного кислорода в поверхностных водах, но не ниже ПДК для во допотребления, для обоих проектных

вариантов с НПУ 173 м БС и 208 м БС. Бо лее предпоч тительным, с точки зрения качества во ды, выглядит проектный вариант с НПУ 208 м БС. при реализации ко торого произойдет значительное уменьшение концентрации легкоокисляемой органики, впло ть до уровня ПДК в течение всего рассматриваемого периода. Реализация проектного варианта с НПУ 173 м БС существенно го влияния на динамику БПК5 в

водах реки Ангары не окажет.

2 ИМ ИТАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ "БИОГ ЕН" ЭКОСИСТЕМ Ы ВОДОЕМА

2.1 Описание модели

Важное условие моделирования — выбор компонентов используемой в модели схемы био химической трансформации биогенных соединений в во доеме (рисунок 11.1). В модели « Биоген» использован набор данных наблю дений, включающий в себя стандартные показатели качества воды : содержание O 2, фитопланктона, минеральных

форм N и P.

Можно сказать, что в модели учтены компоненты водной экосистемы, играющие существенную роль в процессах трансформации биогенных соединений в Новосибирском водо хранилище (Подлипский и др., 1985). Отсутствие достаточного объема информации не позволило обоснованно ввести в качестве о тдельной переменной гетеротрофные бактерии. В модели ‖ Биоген‖ процессы минерализации органич е- ских веществ (ОВ) характеризуются реакцией первого порядка со скоростью, заданной в виде температурной функции.

278