Нашли неточность, аошибку в тексте?

Выделите текст и нажмите
Ctrl + Enter и напишите вашу версию текста.
Спасибо.

Мы бесплатно разместим статьи, тексты, книги, публикации на Эко портале обращайтесь portaleco.ru@gmail.com

 КОМПЛЕКСНЫЕ КОМПЬЮТЕРНЫЕ МОДЕЛИ НЕТОЧЕЧНЫХ ИСТОЧНИКОВ
(1 голос, среднее 5.00 из 5)
Статьи - Диффузное загрязнение водных экосистем

КОМПЛЕКСНЫЕ КОМПЬЮТЕРНЫЕ МОДЕЛИ НЕ ТОЧЕЧНЫХ ИСТОЧНИКОВ

Общей чертой комплексных моделей водосборов является то, что они, как правило, объединяют в себе несколько моделей, состоят из двух или большего числа под моделей, привлекаемых из различных дисциплин: гидрологии, почвоведения и сельского хозяйства, гидрофизики, гидро- и геохимии и т. д. Каждая такая подмодель включает в себя более или менее подробное описание самых существенных механизмов генерации, переноса и трансформации загрязняющих веществ. Как правило, гидрологические блоки комплексных моделей разработаны достаточно детально и могут использоваться независимо (от блоков качества воды) для прогнозирования режимов водного стока в тех или иных гидрометеорологических условиях. Достаточно подробные обзоры наиболее известных в мире гидрологических моделей даны в монографиях [Кучмент и др., 1983; Имитационное..., 1989] и сборниках [Системный..., 1985; Гидрогеологическое..., 1988].

Разработка детальных концептуальных и физико-математических гидрологических моделей стала толчком для развития моделирования качества вод с учетом процессов, происходящих на водосборах. К настоящему времени создано уже огромное количество самых разнообразных моделей. Например, в обзорной работе [Стил, 1988J упоминается почти четыре десятка моделей качества воды, причем значительная часть из них позволяет в той или иной мере анализировать поступление загрязняющих веществ с водосборных территорий. А ведь в названной работе рассматриваются модели, разработанные только американскими исследовательскими центрами до середины 1980-х годов.

По поводу столь большого разнообразия моделей иногда даже высказываются сожаления, поскольку быстрый рост их числа ставит перед специалистами весьма непростую задачу сопоставления технических характеристик моделей и их выбора, вместо решения которой большая часть модельеров предпочитает составить собственную модель, увеличивая тем самым неопределенность выбора для следующих «поколений». При разумном же подходе к моделированию следовало бы использовать небольшое число моделей для изучения множества водосборных территорий, что могло бы привести к совершенствованию нескольких хороших многоцелевых моделей.

Определенная работа в этом направлении проводится Всемирной метеорологической организацией (ВМО). В частности, распространение мирового опыта и технологий гидрологических исследований, в том числе в области гидрологического моделирования, поддерживает созданная ВМО Hydrological Operational Multipurpose System1 (HOMS). Большое число математических моделей включено в каталоги HOMS, что представляет потенциальным пользователям возможность ознакомиться с краткими описаниями моделей, разработанных в разных странах мира. В этих каталогах модели разделены на две категории: 1) гидрологические модели для прогнозирования и проектирования, которые применяются, например, для расчета дождевых или сезонных паводков, и 2) модели для анализа данных в целях оптимизации работы водохозяйственных систем. К последней категории относятся модели прогнозирования качества воды, в том числе и модели, учитывающие неточечные источники как фактор формирования этого качества.

Полезная работа по инвентаризации моделей диффузного загрязнения водоемов была выполнена в начале 1990-х годов по проекту Агентства по охране окружающей среды США (ЕРА); ее итогом стало опубликование обзора [Donigian and Huber, 1991]. В нем авторы подробно проанализировали не только комплексные компьютерные модели неточечных источников, но и целый ряд эмпирических и полуэмпирических методик и процедур, которые находят применение при оценках диффузного загрязнения водоемов. Причем из множества моделей и методов были выделены только те, которые, во-первых, сопровождаются полной документацией, включающей руководство пользователя с подробным описанием модели, используемых алгоритмов и численных методов, требований к входным данным и формату их представления в компьютерной программе, во-вторых, обеспечены сопровождением разработчиков или держателей, и в-третьих, имеют достаточный опыт успешного применения для изучения конкретных водосборных бассейнов. Такие модели авторы работы называют действующимиг, отличая их от многих моделей, описания которых можно встретить в научных статьях, но применяются которые исключительно их авторами при выполнении собственных исследований.

Заметим, однако, что работа [Donigian and Huber, 1991] посвящена, в основном, моделям и методам, которые или были разработаны исследовательскими лабораториями ЕРА, USGS, USDA, других федеральных ведомств США, или разработка которых финансировалась по проектам этих организаций. Но за рамками обзора практически остались модели, созданные европейскими научными центрами, а также огромный пласт компьютерных моделей, которые распространяются многими консультационными фирмами на коммерческой основе. Характеристики некоторых «коммерческих» моделей, описывающих перенос загрязняющих веществ поверхностными и подземными водами, можно найти в работах [Anderson et al., 1992; Charbeneau and Daniel, 1992; DeVries and Hromadka, 1992; Mercer and Waddell, 1992].

1 Гидрологическая операционная многоцелевая система (англ.).

2 В английском оригинале - operational.

Универсальные модели

Как и все модели неточечных источников, комплексные модели разделяют обычно на два больших класса: модели для городских и модели для неурбанизированных (в том числе сельскохозяйственных) территорий. В то же время известны и универсальные модели, которые могут применяться для водосборов обоих типов.

К ним прежде всего можно отнести модель HSPF (Hydrological Simulation Program - Fortran) [Barnwell and Johanson, 1981; Johanson et al., 1984].

Гидрологической основой HSPF стала концептуальная модель с сосредоточенными параметрами, первоначально разработанная для водораздела Стан-форд [Linsley and Crawford, 1960]. Первая версия Станфордской гидрологической модели позволяла вычислять среднесуточные расходы в замыкающем створе водосбора по данным о среднесуточных значениях осадков и суммарного испарения; эти данные наряду с описанием физических и гидравлических характеристик территории являлись входными параметрами модели. Наиболее известной и популярной стала четвертая версия Станфордской модели [Crawford and Linsley, 1966], в которую были добавлены блоки расчета баланса почвенной влаги, запаса подземных вод, оценки эвапотранспирации. воспроизведения изменчивости руслового стока. Динамика выходных параметров рассчитывалась здесь уже с шагом в один час. Именно эта версия вошла в качестве гидрологического блока в ряд компьютерных моделей водосборов, в том числе и в модель HSPF.

Чаще всего модель HSPF используется для прогнозирования стока и связанной с ним загрязняющей нагрузки на неурбанизированных территориях, хотя все последние руководства упоминают блок IMPLND (impervious land1), применяющийся для расчетов на урбанизированных территориях.

Как модель с непрерывным шагом по времени HSPF предъявляет высокие требования к входным данным. Для моделирования стока необходима непрерывная информация об осадках, а также данные об изменении температуры воздуха, солнечной радиации, эвапотранспирации.

HSPF позволяет рассматризать и традиционные поллютанты, и токсическую органику. Оценки стока загрязняющих веществ с водосбора могут быть выполнены либо по простым моделям (постоянные концентрации, «накопление - смыв»), либо на основе детального учета разнообразных внутрипочвен-ных процессов (выщелачивание, сорбция, взаимные превращения форм биогенных веществ и т. п.).

Кроме оценки стока модель позволяет рассчитывать транспорт загрязняющих веществ в руслах (в одномерном приближении) с учетом взаимодействия химических веществ и седиментов (три «фракции» - песок, ил, глина). При этом внутрирусловая модель качества воды включает описание трансформации Непроницаемая земля (англ.). растворенного кислорода. ВПК, азота и фосфора. рН, фито- и зоопланктона и бентосных водорослей. Заметим, что модель HSPF не содержит блока, отвечающего за моделирование процессов, протекающих в донных отложениях и поровом растворе.

Для токсичной органики модель позволяет учесть процессы гидролиза, окисления, фотолиза, биодеградации, улетучивания и сорбции. Последний процесс моделируется в приближении кинетики первого порядка; для его описания необходимо для всех трех вышеупомянутых фракций взвеси задать константу скорости десорбции и коэффициент равновесного распределения сорбированной и растворенной форм поллютанта. В HSPF предусмотрен специальный блок обработки результатов, который позволяет расчеты нагрузки на водный объект по токсичным веществам представлять в соответствии со шкалой, принятой для токсикологических измерений (например, 96-часовая LC5o)'-

Другим примером универсальной системы гидрологического моделирования является программный продукт MIKE SHE [DHI software..., 1996]. В его основу положена модель Европейской гидрологической системы SHE (Systeme Hydrologique Europeen) [Jonch-Clausen, 1979: Beven et al., 1980], которая была разработана специалистами Дании (Датский институт гидравлики). Франции (Гренобльское общество изучения и применения гидравлики, SOGREAH) и Великобритании (Гидрологический институт Соединенного Королевства). В отличие от Станфордской модели SHE является физико-математической моделью с распределенными параметрами. Она описывает задержание осадков растительностью, суммарное испарение, снеготаяние, склоновый и русловой сток, движение воды в ненасыщенной и насыщенной зонах2.

В универсальной системе MIKE SHE характеристики водосборов представляются на элементах прямоугольной сетки. Для каждого элемента вертикальные изменения основных характеристик описываются необходимым числом горизонтальных слоев, толщина которых может быть различной. Геохимический модуль системы позволяет рассматривать реакции химических веществ в ненасыщенной зоне и в грунтовых водах, биологические реакции разложения в грунтовых водах, процессы переноса и потребления кислорода в зоне аэрации. Специальный модуль системы MIKE SHE рассчитывает круговорот азота в почве. При этом наряду с динамикой влаги и нитрогенных процессов описывается производство сельскохозяйственных культур. Модель позволяет включать в рассмотрение внесение удобрений, ирригацию, некоторые

1 Оценку воздействия токсичных веществ на водные экосистемы принято давать по их концентрации, под действием которой в течение определенного времени погибает фиксированный процент особей тестового объекта. В частности, 96-часовая LCjo представляет собой летальную концентрацию (lethal concentration) токсиканта, при которой погибает 50% особей при экспозиции в 4 суток.

Подробный разбор основных уравнений гидрологической модели SHE и описание ее структуры приводится в работах.

приемы агротехники. Процессы эрозии рассчитываются также специализированным модулем, который, в свою очередь, использует особую версию гидрологического блока, позволяющую рассматривать развитие ложбин и оврагов.

Важным достоинством системы MIKE SHE является наличие модуля пре-и постпроцессорных операций. Характеристики бассейна, пространственные и временные данные, могут быть восприняты системой практически в любом виде. Модуль позволяет производить оцифровку, считывание изолиний, осреднение по сетке, графическое редактирование, в том числе гидрографической информации.

Система MIKE SHE разработана для компьютеров типа рабочих станций с операционной системой UNIX. Заметим, что она предъявляет достаточно высокие требования к исходным данным, и пока трудно оценить возможности ее использования при реальном информационном обеспечении.

В середине 1990-х годов в рамках Водного проекта (Water Project) Международного института прикладного системного анализа (International Institute for Applied System Analysis, IIASA) и при непосредственном участии Института водных и экологических проблем СО РАН была разработана информационно-моделирующая система DESERT (DEcision Support system for Evaluating River basin sTrategies) [Ivanov et al., 1995; 1996].

DESERT является интегрированной системой с дружественным пользовательским интерфейсом, основанным на стандартной платформе Microsoft® Windows™ (версии 3.1х). Схематизация русловой сети изучаемого речного бассейна может быть выполнена непосредственно в программе с помощью встроенного графического редактора. Поддерживается обмен с электронной таблицей Microsoft Excel для ввода—вывода данных, визуализации и обработки результатов моделирования. В программе предусмотрен также модуль полуавтоматизированной калибровки параметров модели.

Основной упор в DESERTe сделан на воспроизведение параметров качества воды в руслах. Моделируя движение воды в системе речных русел и каналов, пользователь имеет возможность выбрать одну из пяти типов моделей, включая нестационарную модель течения в приближении уравнений диффузионных волн. Для исследования переноса и трансформации органических загрязняющих веществ предоставляется возможность выбора трех вариантов: балансовая, квазистационарная или динамическая модели. При этом химическая подмодель (источниковые члены в уравнениях переноса) может быть «запрограммирована» пользователем самостоятельно с использованием специально разработанного языка MODUS.

Математическая модель транспорта загрязняющих веществ, заложенная в DESERT, предусматривает принципиальную возможность воспроизведения параметров качества воды в произвольной точке русловой сети. Поэтому требуется, чтобы нагрузка от неточечных источников была определена не только в замыкающем створе частного водосбора, но и на всем протяжении русла. В DESERTe это достигается представлением рассредоточенной нагрузки

в виде протяженного (вдоль русла) источника загрязняющих веществ, линейная плотность которого задается пользователем. Первая версия программы, однако, не позволяет «подключать» к информационно-моделирующей системе внешние компьютерные программы для расчета боковой нагрузки и аппроксимации ее в приемлемом для русловой модели виде линейного источника, и эту процедуру пользователю приходится выполнять самостоятельно.

Информационно-моделирующая система DESERT обеспечивает пользователя наглядными и мощными средствами для контроля качества воды в масштабе речного бассейна. Она разрабатывалась как система поддержки принятия решений по контролю за сбросами загрязняющих веществ в речную сеть и включает в себя блок оптимизации капиталовложений в создание и реконструкцию сооружений по очистке сточных вод. Система была апробирована в работах по обоснованию мероприятий по улучшению экологического состояния ряда речных бассейнов в Центральной Европе, которые проводились в рамках Водного проекта IIASA [Somly6dy et al., 1995].


Похожие статьи:

Добавить статью в закладки

 
Добавить комментарий


Защитный код
Обновить

Полное или частичное копирование материалов сайта разрешается только при указании активной ссылки на экологический портал!
Материалы размещены и подготовлены для образовательных и некоммерческих целей.
ООО "Новая Экология" © 2010 - 2016