1vvedenie_v_ekologicheskoe_modelirovanie

Рисунок 12.1 - Электронная карта Алтайского края, использу е- мая в ГИС «Гидроменеджер»

Рисунок 12.2 - Фрагмент картографического интерфейса ГИС «Гидроменеджер»

299

Систему условных обозначений и подписей можно менять в о т- крытом варианте проекта , т.е. допо лнительно досту пны операции:

нанесения и у даления надписей на кар ту;

изменения условных обозначений.

Кроме того, используя стандар тные средства ArcView, можно добавлять в проект новые слои, если возникнет такая необ ходимость.

Специальные функции проекта "Гидроменеджер", реализова н- ные на языке Avenue, включаю т:

вызов редактора атрибутивной базы данных системы;

вызов для расчета блока моделирования (предварительный

расчет);

интерполяцию результатов предварительного расчета концентрации загрязнения по реке или речному бассейну для отобр ажения на карте;

построение диаграмм концентраций загрязнений для выбранной точки речной системы ;

удаление резу льтатов расчета.

2 АТРИБУТИВНАЯ БАЗА ДАННЫХ

Атрибутивная база данных, непосредственно вхо дящая в проект ArcView состоит из таблиц, физически хранящихся в файлах фо рмата dBase 4, и включает в себя справочники во дных объектов, компонентзагрязнителей и перио дов.

Текстовые справочники предназначены для хранения значений показателей качества во д речного бассейна. Гидрологические и гидр о- химические данные для модели выбираю тся из файлов текстовой базы данных. В результате моделирования создается база данных с результатами расчета, испо льзуемая для просмотра и анализа полученных результатов.

Текстовые справочники включают информацию, характер и- зующую:

наименование водных объектов;

список гидрологических постов;

гидроло гические наб людения;

список пунктов контроля качества во ды;

гидро химические наблю дения;

наименования предприятий;

сбросы предприятий;

300

наименования химических компонентов.

Необ ходимо отметить, ч то для представления чисел с плава ю - щей точкой (они используются для задания концентраций, расходов, температур и пр.) применяется поле типа C8, в котором хранится внутримашинное представление числа с у двоенной точностью. Э то позволяет увеличить быстро действие и избежать потерь точности при преобразованиях.

3 МОДЕЛИРОВА НИЕ РА СПРЕДЕЛЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЙ В РЕКЕ

Внастоящее время накоплен определенный опыт моделирования гидро химического режима рек (см., например, Schnoor, et al, 1987).

ВГИС «Гидроменеджер» используется вариант модели, рассчитанный на использование стандартных данных служб Роскомгидром е- та, осуществляющих сейчас водный мониторинг в России. Кроме того,

методической особенностью работы является проведение параметр и- зации модели качества воды по данным наб людений на участке моделируемого речного бассейна (Tskhai, 1997).

Модель качества воды воспроизводит пространственное ра с- пределение в реке содержания двадцати видов химических показателей:

1)БПК5,

2)дефицита кислорода ,

3)взвеси,

4)ХПК,

5)аммония,

6)нитритов,

7)нитратов,

8)СПА В,

9)нефтепродуктов,

10)фенолов,

11)гексахлорана,

12)хлоридов,

13)сульфатов,

14)магния,

15)кальция,

16)линдана,

17)железа,

18)меди,

19)свинца,

20)фосфатов

301

для восемнадцати характерных периодов года.

Перечень химических компонентов зависит от условий конкретного речного бассейна и может быть изменен.

Уравнения модели в квазистационарном одномерном горизо н- тальном приближении выглядят следующим образом

где Q - расхо д воды, м3/с;

B - ширина свободной повер хности водо тока, м; g - ускорение силы тяжести, м/с2;

w- площадь поперечного сечения водо тока, м 2;

x- продо льная координата вдоль русла, м;

iо - уклон дна;

h - глубина реки, м;

q - боковая приточность на единицу длины, м 2/с;

Cj - концентрация j-того химического соединения, г/м 3; j [1..М], М = 20 - число компонент;

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

Hj - член, характеризующий неконсервативность рассматривае-

мого j-того соединения, г/м3·с;

Gj - путевая нагрузка на единицу длины водо тока, характер и-

стика не точечных источников загрязнений, г/м·с.

Коэффициент Шези C вычисляется по формуле Маннинга

302

C n1 R1,3 n , с размерностью м0,5·с, n - шеро ховатость русла;

R - гидравлический радиус, м: R wX .

Здесь смоченный периметр (м) X вычисляется как:

где b(x,z) - ширина реки на расстоянии z от дна , м.

Уравнения (1-2) представляют собой вариант одномерной системы уравнений для установившегося неравномерного движения во ды с учетом боковой приточности в непризматическом русле реки (Спицын и др. 1990). Задача прогноза решается для восемнадцати периодов в течение расчетного года: для паво дка (апрель-июнь) - ежедекадно, для остального времени - ежемесячно.

Схематизация русла речной системы выбрана следующим обр а- зом. Русло реки и основных притоков, на которых нахо дятся предпр и- ятия во допользователи, разделено на участки, ограниченные створами, в которых нахо дятся во дпосты . В э тих створах задана схематизация поперечных сечений водо тока. Ширина створа нахо дится линейной интерполяцией в зависимости от текущей о тметки уровня Z в балтийской системе высот и данных натурных измерений современных характеристик реки. Э то позволяет оценивать с помощью моделирования нынешнее состояние участка речного бассейна, считая пренебрежимо малой естественную деформацию русла.

Гидравлическая модель участка речного бассейна работает та к. Сначала по заданным расходам в створах реки и сосредоточенных притоках (сбросах) определяется пу тевая приточность ql на каждом

участке, которая считается равномерно распределенной вдо ль во дотока. При э том отрицательные невязки значений расхо да вдоль во дото ка относятся на во допотребление при хо зяйственной деятельности. Уклон дна внутри каждого участка считается постоянным.

Затем по уравнению неразрывности (2) с помощью метода Э й- лера рассчитывается значение Q в узлах расчетной сетки {xi}, i=0...Nl,

где Nl - число шагов по пространственной переменной на l-том гидравлическом участке. Расчет длины шага по x осуществляется таким обра-

303

зом, чтобы его постоянные внутри каждо го участка значения были близкими по величине.

После этого в замыкающем створе по эмпирической кривой связи расхо дов и уровней, по известному значению расхода определяются глубина по тока и отметка уровня.

В период паво дка о днозначная зависимость между расхо дами и уровнями нарушается. При одних и тех же уровнях во ды расхо д Q на подъеме больше, чем расход - на спаде, ч то дает так называемую паводочную петлю. В нашей модели в первой по ловине паво дка используется ветвь подъема петли, а во второй половине - ветвь спада. Если же ширина петли не выхо дит за пределы точности измерений расхо да (3- 5% от значения расхода ), то связь между расхо дами и уровнями считается однозначной и совпадающей с кривой расхо дов для установившегося режима.

Затем, решая неявным методом Эйлера нелинейное уравнение

(1) против направления водо тока, определяем начальное распределение z, по которому восстанавливаю тся все искомые гидравлические характеристики - глубина h, площадь во дного сечения w, средняя по сечению потока скорость течения во ды u.

При этом, с помощью специальной итерационной процедуры, добиваясь равенства значений расчетной и наблю даемой средних глубин в гидропостах, определяется значение величины n - шеро ховатости соответствующего участка реки, что служит здесь в качестве свободного параметра.

Такая процедура повторяется для каждого месяца, а для паво д- ка: апрель-ию нь - для каждой декады.

Таким образом, собственно, гидравлическая задача в рассматр и-

,

где K3 - коэффициент седиментации;

304

P1 и P2 - коэффициенты пересчета потерь кислорода при нитр и-

фикации;

J - плотность по тока кислорода, обусловленный поглощением донными отложениями и фо тосинтезом.

При расчете трансформации азотных соединений (j=5 7) используется следующая схема нитрификации

H7 K7 C7 K6 C6 ,

где P3 - коэффициент пересчета для процесса аммонификации. Процесс минерализации фосфора описывается как

где P4 - коэффициент пересчета в фосфорные единицы.

Температурная зависимость коэффициентов задана соответс т- венно, при j=3 и все х остальных значениях индекса j как

K3(T) Ko3,

Здесь T - температура воды, C, задаваемая из базы данных. Константа A принимается равной 1,05 , а зависимость величин Koj от гидроло гических характеристик определяется при параметризации модели. Величины Pj оцениваются в соответствии с реальными стехиометрическими соотношениями.

Величина Gj может быть определена как

Здесь Вj - содержание j-того соединения в водах, характеризующихся величиной боковой приточности q (в случае q<0 имеем Вj = Сj).

При наличии притока (точечного источника загрязнений) с постоянной интенсивностью в течение расчетного периода величина Сj в узле впадения i прито ка k определяется как

305

p p

где C jk и Q k - концентрация и расхо д притока, впадающего в

реку. Знак "+‖ отличает величину параметра ниже узла впадения пр и- тока о т тех значений, ко торые выше.

Граничные условия имеют вид

Здесь x0 и xL - соответственно, начальный и замыкающий створы

моделируемого участка реки, N - число створов, в ко торых известны значения w, 2 N L, k 1 = 0, k N = L, k f < k f+1.

Для калибровки моделей самоочищения используется аналитическое решение дифференциальной задачи (3-8, 11) на участке реки.

При калибровке может быть принято упрощающее предположение об однородности распределения источников загрязнения по длине рассматриваемого участка и об их постоянной интенсивности в теч е- ние расчетного периода. Как правило, наименьшее расстояние между пунктами качества во ды бывает в контрольных створах до и после города. В этом случае достаточно грубое упрощение об однородности иногда не является слишком далеким от реальности. Основные исто ч- ники загрязнений на урбанизированном участке - промышленные и коммунальные стоки - в целом, относительно постоянны в течение расчетного периода и часто бывают рассосредоточены по б ерегу реки. В противном случае должно быть испо льзовано какое -либо другое упрощающее модельное предположение .

Значения параметров Koi, K3, и J, вхо дящих в уравнения (3-7),

далее оценивались с помощью алгоритма Маквардта - нелинейного метода наименьших квадратов. В качестве начального приближения могут быть использованы величины из диапазона известных значени й

(Коэффициенты…, 1987).

Для оценки адекватности модельного описания данным наблюдений используется статистический критерий Тейла F (Theil, 1971)

306

где n - число наблю дений; Xi и Yi - соответственно, расчетные и

измеренные величины со держания веществ.

Для определения левого граничного условия в (11) необ ходимо задать концентрацию ингредиента в реке в начале моделируемого уч а- стка.

В силу реальной сто хастичности речных процессов каждое ко н- кретное измеренное значение концентрации хим ического соединения в реке есть не более чем отдельная реализация случайной величины. Поэтому для задания содержания ингредиента в качестве входной и н- формации модели для конкретных створа и периода гидрологич еского года необ хо димо установить значение корреляции множества наблюдавшихся концентраций здесь в это т период от соо тветствующих ги д- рологических факторов (расхо да, температуры и т.п.). В случае отсу т- ствия зависимости или низкой корреляции испо льзуется средняя величина, иначе необ ходимо учитывать соотве тствующую завис имость.

При отсутствии первичной информации по качеству воды в притоках реки в расчетах испо льзуются значения фоновых концентр а-

ций - стандар тных показателей Государственной службы наб людений. Концентрации Вj в боковой приточности на рассматр иваемом

участке речного бассейна могут быть определены с помощью метода, изложенного в работе Behrendt et al, (1992).

По виду зависимостей концентраций и нагрузки о т расхода в реке оцениваются параметры соответствующих регрессионных ура в- нений, в частности концентрации ингредиентов в боковой приточности.

Здесь для замыкающего створа участка речного бассейна m – число наблю дений,

307

Ckj – концентрация j-го вещества в реке в к-том наблюдении, Qk – расход реки в к-том наблю дении.

Для численных расчетов выпо лняется интерполяция таблично заданных функций. При параметризации использованы данные наблюдений за гидро химическим режимом на участке реки Оби, ограниче н- ном створами: 7 км выше и 13,7 км ниже г.Барнаула в 1984 -88 гг. В качестве исхо дной информации о точечных источниках загрязнений в системе "Гидроменеджер" были использованы данные о фактической массе сбросов промпредприятий Алтайско го края за 1993 г. по двадцати видам загрязняющих веществ.

Источником сведений о фактическом расходе сточных во д (кубических метров в год) на предприятиях и фактических размерах сбр о- са отдельных загрязняющих веществ явились данные статистической отчетности предприятий по форме 2-ТП во дхоз. Были использованы данные по предприятиям городов Барнаула (А О "Барнаултрансмаш"; АО "Сибэнергомаш"; Барнаульский завод технического углерода; Ба р- наульский шинный завод; ПО Химволокно), Бийска (АО Бийская ТЭЦ-1; Водоканал; Котельный завод (Бийск -Сибэнергомаш)), Новоалтайска (КРЗ Алтайкровля), Рубцовска (АЛТТРАК АТЗ; МП Во доканал), Белокурихи (Белокуриха-Во доканал), Заринска (ПМОПЖ КХ За- ринск-Водоканал), Тальменки (Заво д тракторных агрегатов). Таким образом, при моделировании учитываю тся сбросы предприятий, ра с- положенных на реке Обь и ее притоках Алее, Бие и Чумыше.

4 МОДЕЛЬ ОПТИМИЗАЦИИ ВОДООХРА ННОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ НА УРОВНЕ ПРЕДПРИЯТИЯ

Наиболее эффективным средством снижения антропогенной нагрузки на природные объекты является платное природопользование с последующим инвестированием получаемых средств в развитие "чистых" техно логий. Действующая нормативная база (см., например, Закон…, 1992; Водный…, 1995) регламентирует экономический механизм управления водопользованием в России.

Учет соответствующих требований позволяет детализировать модель поведения предприятия в условиях платы за водопользование и загрязнение водной среды с частичной компенсацией его затрат на проведение водоо хранных и во досберегающих мероприятий. В модели предшественников (см., например, Пряжинская, 1992; Рикун и др., 1991) минимизировались эти среднегодовые затраты предприятия при условии, ч то фактические сбросы ингредиентов не превышаю т вр е- менно согласованных. В ГИС «Гидроменеджер» максимизируется чи с-

308