1vvedenie_v_ekologicheskoe_modelirovanie

Рисунок 11.5 - Прогноз качества воды в проектируемом Усть-Среднеканском водо хранилище для условий 1959 -60 гг

Диапазоны внутригодовой изменчивости концентраций компонентов экосистемы характерны для водоемов олиготрофного типа. Важный по казатель правдоподобности модельного описания фун к- ционирования водной экосистемы со сформировавшимся трофическим статусом — составление го дового баланса (поступления и по терь) N и P (невязки го довых балансов по N и P 0.4%).

Сравнение расчетной кривой содержания фитопланктона с аналогичными данными за июль -август для Ко лымского водо хранилища показывает, что содержание во дорослей в проектируемом водохранилище бу дет близким к современному их содержанию в Ко лымском водо хранилище и примерно в 4-5 раз ниже, чем в Новосибирском водо хранилище. Среднее по объему содержание фитопланктона в поступающей в нижний бьеф воде в августе будет достигать максимум 0.003 мг P/л со среднемесячной концентрацией 0.002 мг P/л, что соответс т- вует 0.27 и 0.17 мг/л биомассы водорослей.

Водо хранилище будет играть "буферную" роль, несколько сглаживая ко лебания в водо токе концентраций N -NH4, ко торые могут

превышать в 2-3 раза ПДК для рыбо хозяйственных во доемов (0.39 мг N/л), ч то связано с его высоким со держанием в во де притоков.

Содержание остальных минеральных форм N в водохранилище будет изменяться в основном в пределах ПДК для рыбохозяйстве нных

289

водоемов (0.02 и 9.1 мг N/л для N-NO2 и N-NO3 соответственно). Кон-

центрация минеральных форм N в водо хранилище минимальна летом, что объясняется физио логической активностью фитопланктона в вегетационный период.

Аналогично меняется концентрация минерально го P, среднее содержание ко торого в водо хранилище 0.036 мг Р/л в течение го да.

Содержание взвешенных форм биогенных соединений в стоке из водо хранилища составляет 21% концентраций на вхо де. Основная их доля интенсивно осаждается на дно и лишь частично возвращается в воду за счет взмучивания седиментов.

По данным регулярных наблю дений за качеством воды в вер х- нем бьефе Колымского водохранилища в 1987/ 88 г., содержание O 2 в

нем летом было 10.0 мг/л. Расчеты для проектируемого водохранилища показываю т, ч то средние значения концентраций O 2 в нем будут

составлять зимой 8-11, а летом — 10-11 мг/л. Это б лагоприятно для сохранения и воспроизводства ценных пород рыб, обладающих выс о- кой чувствительностью к растворенному в воде O2.

3 ПРОГ НОЗ ЕВТРОФИРОВАНИЯ НИЖ НЕГО БЬЕФА ВОДОХРА НИЛИЩА-ОХЛАДИТЕЛЯ : КАКОЙ ИЗ ПРОЕКТНЫХ ВАРИАТОВ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЕЙ?

3.1 О модельной оценке влияния во до хранилища - о хладителя на экологическое состояние его нижнего бьефа

При проектировании в районе КАТЭКа (Красноярский край, Кемеровская область) Березовской ГРЭС-2 возник вопрос об экологических последствиях э ксплуатации во до хранилища - о хладителя, в котором будет интенсивно развиваться процесс евтрофирования. Те п- лая, сильно загрязненная биостоком (фитопланктон и бактерии) во да будет сбрасываться из о хладителя в нижний бьеф, реку Урюп (приток р.Чулым).

Целью работы (Tskhai, 1998) был ответ на вопрос о влиянии биостока на качество воды р.Урюп ниже водо хранилища -о хладителя, основанный на использовании методов математического моделирования для оценки динамики развития планктона в нижнем бьефе Вер х- не-Урюпского гидроузла,.

Для э то был выбран следующий подход. Рассматривается изменение под влиянием комплекса природных и антропогенных факторов концентраций компонентов экосистемы в единичном объеме воды,

290

перемещающемся с русловым потоком в нижнем бьефе водохранилища.

Далее используется достаточно естественное предположение о том, что функциональные свойства будущего биоценоза нижнего бь е- фа на участке реки Урюп до впадения в реку Чу лым под влиянием п о- стоянного антропогенного пресса будут близкими к таковым в е в- трофном водоеме. Такое предпо ложение позволяет оценить наиху д- ший из возможных вариантов развития евтрофирования в нижнем бьефе Вер хне-Урюпского гидроузла.

Для модельной оценки была принята следующая схематизация исследуемого водного объекта. Вариант 2а (нумерация соответствует проектной): нижний бьеф начинается от водо хранилища -регулятора (участок обводного канала ). В нижний бьеф в период паводка (май - июнь) сбрасывается сильно загрязненная и теплая во да из водо храни- лища-о хладителя. В течение го да учитывается разбавляющее влияние притока - реки Береш. Заканчивается нижний бьеф - впадением в реку Чулым. Вариант 1 отличается от изложенного варианта 2а тем, ч то нижний бьеф начинается о т водо хранилища-о хладителя, из которого в течение всего года производится сброс воды. Проектный вариант 2б отличается от варианта 2а тем, что через обводной канал в нижний бьеф поступает не санитарный, а м еженный попуск.

В работе была построена и использована в расчетах схематиза - ция русла с непризматическим ложем р.Урюп на участке нижнего бь е- фа Вер хне-Урюпского гидроузла. При э том гидрав лические характеристики водо тока рассчитывались по уравнениям Сен-Венана в квазистационарном приближении для конкретных условий р.Урюп. Были сформулированы и численно решены задачи нестационарного конве к- тивно го переноса тепла и неконсервативных прим есей в нижнем бьефе Вер хне -Урюпского гидроузла. Для прогнозирования хо да процессов евтрофирования в исследуемом объекте применялся метод имитационного моделирования.

Далее излагается испо льзованный по дхо д к оценке динамики содержания планктонного звена водной эко системы путем описания доста точно полного цикла био химической трансформации соединений фосфора, как правило, лимитирующего развитие гидр обионтов.

3.2 Модели евтрофирования водных объектов Вер х- не-Урюпского гидроузла

Использованное при прогнозировании евтр офирования водных объектов Вер хне-Урюпского гидроузла модельное описание ( Цхай,

291

1995, Белолипецкий и др., 1997) характеризует синтез хими- ко-биологических представлений о механизме и последовательности стадий трансформации форм фосфора в водной толще и донн ых о тложениях проектируемых экосистем. Взаимодействие в водной толще растворенных минерального DIP и органического DOP соединений фосфора, его фракций в составе детрита PD, биомасс фитопланктона FP и бактерий BP описывается моделью био химической трансформ а- ции, сформулированной Леоновым (например, в работе 1987 г.).

Вцелом, имитационная модель учитывает те фракции фосфора

ите процессы, которые имеют первостепенное значение в динамике экосистемы, в развитии фитопланктона и при евтрофировании водных объектов - продукцию фитопланктона и потребление водорослями

DIP, бактериальную продукцию и минерализацию DOP, метаболич е- ские выделения фитопланктона и бактерий, их отмирание с образованием детрита и его последующим разложением, процессы трансфо р- мации в донных отложениях, а также обменные процессы биогенным веществом в слое "вода -дно".

Уравнения био химической трансформации соединений фо сфора в водной толще имею т вид:

г/м3·сут;

Ji - поток минерального фосфора в водную толщу из донных о т-

ложений, г/м2·су т;

Gi - скорость поступления компонентов с боковой нагрузкой

внутри участков, связанной со смывом и сбр осами, г/м·сут.

Одной из важных проблем при использовании математических моделей в задачах о храны окружающей среды является определение внутренних параметров или идентификация. Ввиду то го, что иссле-

292

дуемый объект - Вер хне-Урюпский гидроузел - не существует в природе, естественно, нельзя говорить о процедуре идентификации в полном смысле этого слова. Поэтому для детализации констант и коэфф и- циентов модели прихо дится пользоваться характеристиками водо- емов-аналогов. При выполнении данной работы мы располагали до с- таточно полным набором данных по оз.Балатон, испытывавшему, как известно, интенсивное антропогенное евтрофирование. Результаты сравнения данных натурных наблю дений на оз.Балатон и результатов расчетов по использованной в работе фосфорной модели водной экосистемы показали, что модель достаточно точно воспроизводит режим трансформации компонентов евтрофной водной экосистемы.

Расчеты проводились для условий очень маловодно го го да, ч то позволило оценить наиболее неблагоприятный случай динамики пар а- метров евтрофирования в проектируемом водном объекте.

Для расчета изменений условий функционирования водных э косистем объектов Вер хне-Урюпского гидроузла в течение го да были использованы результаты численного моделирования режима водотоков

По данным экспедиционных наб людений Гидро химического института , прогнозным оценкам о химическом составе поверхностных вод рассматриваемого участка речного бассейна были выбраны сцен а- рии содержания компонентов фосфорной модели в притоке в водо хр а- нилище -регуляторе, сбросах из водо хранилища-о хладителя и реке Береш.

Численное моделирование евтрофирования

Для определения режима евтрофирования применялся числе н- ный алгоритм, основанный на неявной схеме бегущего счета первого порядка. В результате для условий трех проектных вариантов эксплу а- тации гидроузла по лучена следующая кар тина.

В целом, среднемесячное содержание фитопланктона в зам ы- кающем створе нижнего бъефа - в 1 км до впадения р.Урюп в р.Чулым - для всех трех вариантов становится ниже по сравнению с выбранным значением концентрации в сбросах из о хладителя в теплое вре мя го да - 40 мг/л, хо тя и на два и более порядка может превышать современный уровень евтрофирования реки Урюп.

При реализации первого проектного варианта биомасса водорослей в замыкающем створе нижнего бьефа в мае-августе может составлять 30-32 мг/л в сыром весе, снижаясь до 20 мг/л в сентябре. Ниже будет содержание фитопланктона при реализации вариантов 2а и

293

2б: 23-25 мг/л - в перио д весеннего цветения в мае; 19 -20 мг/ л - в ию- не-августе; до 5 мг/ л - в сентябре. Варианты 2а и 2б по степени евтр о- фирования нижнего бьефа, как видно, практически не о тличаю тся.

Таким образом, полученные в предположении о заданном (40 мг/л) содержании фитопланктона в сбросах из о хладителя, значения концентраций водорослей в нижнем бьефе в летний период в соотве т- ствии с эколого-санитарной классификацией качества повер хностных вод суши характеризую т во доток нижнего бьефа как сильно загрязненный для случая реализации любого из трех проектных вариантов, хо тя варианты 2а и 2б несколько улучшают ситуацию по сравнению с вариантом 1.

Содержание гетеротрофных бактерий в нижнем бьефе ниже, чем в сбросах из о хладителя в течение всего го да, причем при реализации вариантов 2а или 2б концентрация бактерий понизится почти вдвое по сравнению с вариантом 1. В осенне-зимний перио д содержание бактерий и фитопланктона в нижнем бьефе, как и следует ожидать, существенно ниже, чем в теплое время года .

Содержание абиотических форм фосфора в нижнем бьефе: ра с- творенной и взвешенной органики и фосфатов при реализации всех трех проектных вариантов в течение года будет практически близким и станет изменяться в пределах, обычных для повер хностных во д Сибири. Концентрация растворенного органического фосфора будет колебаться в пределах 0,05-0,17 мгP/л; концентрация минерального фо с- фора - в пределах 0,02-0,12 мгP/л, и концентрация детритного (взвешенного) фосфора - в преде лах 0,002-0,02 мгP/ л.

На основании проведенных работ по моделированию евтроф и- рования нижнего бьефа Вер хне -Урюпского гидроузла можно сделать следующие основные выводы по сравнению последствий от реализации рассмотренных проектных вариантов:

1) Реализация вариантов 2а и 2б приведет к примерно одинаковым последствиям по степени влияния на евтрофир ования нижнего бьефа, и более предпочтительна, чем вариант 1. При реализации вар и- антов 2а или 2б биомасса фитопланктона в замыкающем створе снизится вдвое по сравнению с водо хранилищем -о хладителем, но тем не менее на два и более порядка может превышать современный уровень евтрофирования р.Урюп.

2) Содержание гетеротрофных бактерий в нижнем бьефе Вер х- не-Урюпского гидроузла в случае реализации вариантов 2а или 2б б у- дет примерно вдвое ниже, чем в случае варианта 1, ч то характеризует более благоприятную, хо тя и достаточно напряженную микробиологическую ситуацию.

294

ЛИТЕРАТУРА

1.Бело липецкий В.М ., Костюк В.Ю., Шокин Ю.И. Математическое моделирование течений стратифицированной жидкости. - Новосибирск: Наука, Сиб . отд-ние, 1991. - 176 с.

2.Бело липецкий В.М. Туговиков В.Б., Цхай А.А. // Вычислительные техно логии, 1997. Т.2. № 3. С.5-19

3.Бреховских В.Ф. Гидрофизические факторы фо рмирования

кислородного режима во доемов. М.:: Наука, 1988. 168 с .

4.Васильев О.Ф., Бочаров О.Б., Зиновьев А.Т. // Гидро техническое строительство, 1991. С.3-5

5.Винберг Г.Г. (ред.) Обозначения, единицы измерения и эквиваленты, встречаемые при изучении пресноводной продуктивности пресных вод. Л.: Советский национальный комитет Междунар. Биоло-

гической Программы, 1972. 36 с .

6.Крышев И.И., Сазыкина Т.Г. Имитационные модели динамики экосистем в условиях антропогенного воздействия ТЭС и АЭС. М.: Энергоатомиздат, 1990. 184 с.

7.Леонов А.В. Динамика форм фосфора при разных водных р е- жимах в экосистеме оз. Кубенское // Водные ресурсы. 1987. Т. 14. № 4.

С. 41 51 8.Леонов А.В., Осташенко М.М., Лаптева Е.Н. Математическое

моделирование процессов трансформации органического вещества и соединений биогенных элементов в водной среде : предварительный анализ условий функционирования экосистемы Ладожско го озера // Водные ресурсы. 1991. Т. 18. №1. С.51-72.

9.Меншуткин В.В. Имитационное моделирование водных экологических систем. СПб .: Наука , 1993. 158 с.

10.Никаноров А.М. (ред.) Справочник по гидро химии. Л.:

Гидрометеоиздат, 1989. 392 с.

11. Никаноров А.М., Скакальский Б.Г. (ред.) Качество вод и научные основы их о храны. Труды V Всес.гидрол.съезда, том 5. Л.: 1991. 504 с.

12. Подлипский Ю.И., Чайковская Т.С. (ред.) Комплексные исследования Новосибирского водо хранилища. М.: Гидрометеоиздат, 1985. 134 с.

13. Cафронова К.И., Веницианов Е.В., Кочарян А.Г., Майр а- новский Ф.Г., Максимов А.В., Шашков С.Н. //Водные ресурсы, 1997. №6. С.711-717

295

14.Умнов А.А. Математическое моделирование биотических потоков вещества и энергии в во дных экосистемах. СПб.: Наука , 1997. 134 с .

15.Цхай А.А. Мониторинг и управление качеством во д речного бассейна: модели и информационные системы. Барнаул: Алта й- ское книжное издательство. 1995. 174 с.

16.Schnoor J.L., Sato C., McKetchnie D., Sahoo D. 1987 . Processes, Coefficients and Models for Simulat ing Toxic Organics and Heavy Metals in Surface Waters. Athens: US EPA. 365 p.

17.Theil H. 1971. Applied Econo mic Forecasting. Amsterdam: North-Ho lland. 757 p.

18.Tskhai A. A., Ageikov V. Yu . 1994. Simu lation of nutrient

transformation in a reservoir ecosystem // Hydrological, Chemical and Biological Processes of Transformation and Transport of Contaminants in Aquatic Environ ments (Proc. of the Rostov -on-Don Symp. May 1993). IAHS Publ. 219:303-308

19. Tskhai A. A., Leonov A. V. 1995. Water quality forecast for designing reservoir based on the model for nitrogen and phosphorus co m- pounds transformation // Water Resources. 22(3).

20. Tskhai A. A.; Ageikov V. Yu. 1997. Mathemat ical modeling of transformation processes for nitrogen and phosphorus compounds and oxygen regime changes in reservoirs // Water Resources. 24(6):664-674

21. Tskhai A. A. Verjovkin M. N., Solodky O. G. 1998. Hydroinformatics Methods for Water Quality Assessment in River Basin // Hydroinformatics`98 (Proc. 3rd Int. Conf. Den mark). P. 1273-1280

22. Tskhai A. A. 1998. Informat ion technology tools for water quality monitoring and management // Environ mental Geotechnology and Global Sustainable Develop ment. (Proc 4th Int.Sy mp. USA, Boston).

23. Tskhai A. A.; Ganoulis J.; Gorbachev V. N.; Hubert P.; Kirillov V. V.; Mironenko V. F.; Nachtnebel H.-P.; Poulin M. 2001. Risk-based environmental management / Eds Tskhai A. A.; Ganoulis J. – Barnaul:

―Azbuka‖ Publishing House

Hydrologie. Vol.37. P.53-84

296

12 ГИС ДЛЯ ВОДНОГО ХОЗЯЙСТВА

ВВЕДЕНИЕ

Примером геоинформационной технологии, разработанной для использования в во дном хозяйстве России, является ГИС «Гидром е-

неджер» (Tsk hai, 1996).

ГИС «Гидроменеджер» предназначена для мониторинга и управления качеством вод речного бассейна и реализована как проект в насто льной ГИС общего назначения ArcView GIS 3.0a с расширени-

ем Spatial Analyst.

В данном проекте с учетом действующей нормативной базы реализована математическая модель экологических и э кономических процессов в природно-техническом комплексе речного бассейна. Информационной основой для использования математического описания являю тся стандар тные данные государственных служб водного мониторинга и статистики (Tskhai, et al, 1995) .

Отдельные процедуры в Г ИС реализую т информационномоделирующий блок качества вод речной сети, оптимизацию водоо х- ранной деятельности как на уровне предприятия, так и на уровне ба с- сейна. Проект состоит из следующих компонент:

картографическая база данных с функциональной частью

системы;

атрибутивная база данных объектов системы;

внешние программы, реализующие модельные расчеты. Для использования методического подхо да необ ходима запо л-

няемая в базы данных ГИС по льзователем информация водного мониторинга, а также данные об экономической и водохозяйственной деятельности предприятий. Кроме того, при создании ГИС «Гидромене д- жер» в качестве исхо дной испо льзована информация координатной части кар тосхемы, величина коэффициентов о тносительной значим о- сти створов. В результате параметризации моделей самоочищения по данным водного мониторинга бассейна Вер хней Оби оценены коэ ф- фициенты уравнений.

Таким образом, для испо льзования Г ИС «Гидроменеджер» пр и- менительно к случаю произвольного речного бассейна Российской Федерации достаточно иметь карту последнего распро страненного масштаба (например, 1:500000) и стандар тную информацию госуда р- ственных служб РФ.

297

1 КАРТОГ РАФИЧЕСКАЯ БАЗА ДАННЫХ С ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ ЧА СТЬЮ СИСТЕМ Ы

Проект ГИС "Гидроменеджер" использует карто графическую базу данных «Алтайский край» в форматах Arc/Info-ArcView. При этом возможна настройка системы на работу с любой другой картографической базой, нахо дящейся в таком же формате.

Картографическая база данных «Алтайский край» состоит из следующих основных слоев (рисунок 12.1):

административное деление;

граница Алтайского края;

речная сеть;

железные дороги;

автомобильные дороги;

крупные населенные пункты;

мелкие населенные пункты;

рельеф.

Каждый тематический слой представлен в проекте о дной или несколькими темами ArcView. Кроме того, для работы системы используются вспомогательные темы ArcView:: точки створов - на этапе расчета концентрации загрязнений в моделирующей программе, ра с- тровые темы рек – при визуализации результатов.

Функции, реализуемые системой "Гидроменеджер" , можно ра з- бить на две группы :

1.предоставляемые стандар тными средствами,

2.специальные функции, реализованные программными средс т- вами на собственном языке разработки приложений ArcView Avenue, а также с использованием внешних языков программирования (Delphi).

Стандартные средства ArcView обеспечивают визуализацию и операции редактирование кар тографической базы данных, такие как:

включение и о тключение из просматриваемой карты различных тематических слоев, входящих в проект;

масштабирование карты с различной степенью детализации видимых объектов;

перемещение по карте (панорамирование).

Для каждого тематического слоя карты, входящего в проект, создан набор условных обозначений и текстовых по дписей (рисунок

12.2).

298