Информационные технологии

Математические модели и методы для решения водоохранных задач

При разработке водоохранных мероприятий необходимо учитывать изменение водной среды под воздействием хозяйственной деятельности человека. В качестве аналитического инструмента для оценки антропогенного воздействия на качество воды в реке предлагается группа математических моделей. Использование этих моделей связано с решением различных задач, которые отвечают на следующие вопросы: каково будет качество воды, если реализованы те или иные внешние условия (температура воды, выбросы загрязняющих веществ и т.д.); как надо распорядиться выбором управляющих параметров с тем, чтобы реализовать заданные условия; в каких пределах могут изменяться те или иные параметры модели, при соблюдении которых обеспечивается приемлемое качество воды.

На первый вопрос отвечает группа задач прогноза качества воды. С ответом на второй и третий вопросы связаны задачи оптимизации и нормирования.

Задача прогноза состоит в получении оценки влияния хозяйственной деятельности в регионе на качество поверхностных вод и включает в себя следующие подзадачи: прогнозирование сезонного распределения загрязнения в реках, в зависимости от гидрологического режима рек; прогнозирование качества воды в реках в зависимости от хозяйственной деятельности в регионе при долгосрочных периодах планирования; прогнозирование динамики примесей вблизи от источника выброса; прогнозирование поступления загрязняющих веществ в озеро.

При решении первой подзадачи предполагается, что промежуток времени сравнительно небольшой, скорость поступления загрязняющих веществ в реку и гидрологические характеристики практически не меняются во времени, т.е. постоянны. Цель – получить схемы распределения загрязнения вдоль русла реки при заданных интенсивностях выбросов. Для этого наиболее целесообразно использовать стационарную по времени модель распространения примесей вдоль русла реки.

Решение второй подзадачи направлено на получение общей оценки загрязнения воды, соответствующей долгосрочному прогнозу (10–20 лет) поступления примесей. При этом внутригодовая динамика гидрологического режима принимается в соответствии со средним многолетним, а межгодовые изменения гидрологического режима и интенсивности поступления примеси считаются заданными. Таким образом, для больших периодов времени целесообразно использовать камерные нестационарные модели.

Для решения третей подзадачи используется более подробная модель распространения примеси на достаточно малом участке и небольшом промежутке времени. Таковой является модель распространения примеси в потоке, записанная в частных производных.

Для решения четвертой подзадачи необходимо знать концентрации примеси в устье реки. Она может быть получена с помощью модели переноса примеси вдоль русла.

Таким образом, группа моделей, описывающих динамику качества воды, состоит из следующих блоков:

  • стационарной модели распространения примеси в реки, предназначенной для описания динамики загрязнения вдоль русла реки при стационарных внешних условиях, которые выполняются для небольших промежутков времени;
  • камерной нестационарной модели распространения примеси вдоль русла реки, позволяющей получать динамику распределения примеси вдоль русла реки для больших промежутков времени;
  • распределенной модели рассеивания примеси вдоль русла реки, предназначенной для более точного представления динамики загрязнения вблизи источника выброса, для расчета зоны перемешивания и створа достаточного перемешивания.

Математические модели могут быть использованы для нормирования антропогенного воздействия. Эффективное управление качеством воды на региональном уровне целесообразно осуществлять в целом для всего бассейна реки с учетом комплексного воздействия всех источников загрязнения. На первый взгляд параметрами, позволяющими управлять качеством воды, являются интенсивности функционирования источников загрязнения. Но они динамичны, зависят от большого числа технологических параметров, и реализовать заданные выбросы в реальных условиях трудно. В связи с этим, более удобными управляющими воздействиями являются предельно допустимые сбросы (ПДС). Их целесообразно рассчитывать в комплексе для всего бассейна реки с учетом прогнозируемого расхода воды в ней и пересчитывать в оперативном режиме. В данном случае ПДС – это не фиксированные на продолжительное время нормативы сбросов, а параметры системы управления качеством воды в бассейне, позволяющие реагировать на изменения всех условий функционирования системы.

Методы нормирования гидрохимического воздействия и алгоритмы комплексного расчета ПДС, разработанные на основе математической модели, позволяют строить множество допустимых сбросов и из него выбирать оптимальные ПДС для источников, находящихся как на одной реке, так и во всем ее бассейне.

Литература

  1. Дамешек Л.Ю. Нормирование гидрохимических воздействий в бассейне реки // Модели и методы оценки антропогенных изменений геосистем. Новосибирск: Наука, 1986. – С. 83–90.
  2. Дамешек Л.Ю., Константинов Г.Н. Модели водных ресурсов в системе эколого-экономических расчетов «Регион» // Математические модели и методы управления крупномасштабным водным объектом. – Новосибирск: Наука, 1987. – С. 20–36.

Л.Ю. Дамешек