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

 Об использовании эмпирических моделей
(0 голоса, среднее 0 из 5)
Статьи - Диффузное загрязнение водных экосистем

Об использовании эмпирических моделей

Подводя итоги обзору эмпирических методов оценки диффузной нагрузки на водные экосистемы, еще раз подчеркнем, что спецификой таких моделей часто является довольно жесткая «привязанность» к конкретным водосборным участкам. То есть прямое перенесение регрессионных уравнений, например, с одних водосборов на другие грозит непредсказуемыми расхождениями между прогнозной нагрузкой и теми ее величинами, которые могут быть там зафиксированы экспериментально. Если же эти уравнения применяются на тех же водосборных территориях, по данным наблюдений на которых они были построены, то исследователь вправе ожидать от них удовлетворительных прогнозов, по крайней мере, в типичных, неэкстремальных, условиях.

Поскольку простейшие модели не требуют больших объемов исходной информации, а точность выдаваемых результатов часто оказывается достаточной для предварительных прогнозов, они нередко применяются при выработке управленческих решений, если необходимо, например:

а) на основе метеорологических прогнозов оперативно предсказать изменения величины нагрузки, поступающей в водные объекты от неточечных источников (такая информация может оказаться полезной для планирования работы предприятий водоснабжения и/или очистных сооружений);

б)  рассчитать требуемые технологические объемы накопительных емкостей при строительстве новых очистных сооружений (к примеру, для очистки от загрязняющих веществ ливневого стока);

в) при планировании контроля за неточечными источниками дать прогноз изменений нагрузки на водные объекты после проведения определенных хозяйственных мероприятий;

г) после изменения сельскохозяйственной практики или других характеристик водосбора рассчитать в зависимости от метеорологических условий те значения концентраций загрязняющих веществ в стоке, которые можно было бы ожидать, если бы мероприятия на водосборе не проводились, сравнить их с наблюдаемыми концентрациями и таким образом оценить эффективность проведенных мероприятий для улучшения качества воды.

Из-за своей простоты эмпирические модели неточечных источников находят весьма широкое применение - от обычных расчетов с использованием настольных калькуляторов до хороших «сценарных» инженерных расчетов с использованием электронных таблиц [Walker et al., 1989] или включения в состав сложных компьютерных моделей с тщательно проработанными гидрологическими блоками.

ДЕТЕРМИНИРОВАННЫЕ МОДЕЛИ НЕТОЧЕЧНЫХ ИСТОЧНИКОВ

Накопленные на протяжении многих лет экспериментальные данные и их анализ складываются в теоретические представления о функционировании водосборов как гидролого-геохимических систем, что становится основой для разработки детерминированных моделей неточечных источников.

Механизм переноса загрязняющих веществ на водосборах и в руслах эквивалентен движению воды. Поэтому модели диффузного загрязнения водных экосистем являются, по сути своей, гидрологическими моделями. Можно сказать, что несмотря на разнообразие модельных подходов к изучению диффузного загрязнения все модели имеют сходную структуру: сначала разрабатывается модель гидрологических процессов, над которой надстраиваются эрозионная и геохимическая модели, дополняющие ее описанием выноса различных поллютантов.

Разработка детерминированной модели водосборной территории сопряжена с формализацией внешних воздействий на систему (рис. 4.1), а также внутренних связей и взаимодействий между ее отдельными компонентами. Это возможно лишь при ясном понимании природы гидрологических, гео- и биохимических процессов, происходящих в системе и управляющих ее реакцией на внешние воздействия. Математические уравнения, закладывающиеся в детерминированные модели, могут быть записаны на разных уровнях сложности, и выбор необходимого уровня определяется компромиссом между комплексностью модели и теми практическими сложностями, которые будут возникать при определении значений заложенных в модель параметров, а значит и при ее применении на конкретном водосборе.

Например, гидродинамический подход к моделированию переноса примесей основан на уравнениях конвективно-дисперсионного движения воды и растворов веществ в пористой среде, которые описывают как стационарные, так и быстропротекающие процессы. Эти уравнения дают физически обоснованное описание движения растворов в почве, что делает их особо привлекательными. Однако, как уже указывалось выше, возможности практического использования гидродинамических моделей ограничены: такие важные параметры этих моделей, как объемное содержание влаги, гидравлическая проводимость почвы, напор воды отличаются существенной пространственной и временнбй неоднородностью, что влечет за собой требование слишком большого объема необходимых исходных данных. Подобные сложности вынуждают вводить в физико-математические модели определенные допущения, упрощать математическое описание процессов движения воды и загрязняющих веществ, использовать при формализации отдельных связей эмпирические соотношения, что нередко делает такие модели мало чем отличающимися от концептуальных.

По-видимому, в строгом смысле физико-математическую модель на данном этапе развития гидрологической теории вообще построить нереально. Природные условия гидрогеологических систем чрезвычайно сложны, и пока нет возможности описать ab initio все составляющие гидрологического цикла. Так или иначе все компоненты гидрологической модели опираются на эмпирические соотношения: модель Раттера и др. Для описания процесса перехвата осадков растительным покровом, закон Дарси для фильтрации в пористых средах, уравнение Манинга для течения в русле и другие. Но сказанное вовсе не означает, что предпочтение следует отдавать концептуальным или полуэмпирическим моделям. Ведь перечисленные выше законы уже проверены и могут быть проверены вновь экспериментально, причем независимо от модели разрабатываемой, так что включение их в математическую формулировку модели не будет отражаться на последовательности описания других процессов и сторон рассматриваемого явления.

Физико-математическое моделирование совершенствует теоретические знания о структуре и принципах функционирования природных систем, помогает глубже проникать в суть отдельных гидрологических и геохимических процессов, открывает возможности для физического объяснения и математического обоснования более простых концептуальных моделей. Кроме того, только физико-математические модели с распределенными параметрами в состоянии прогнозировать отклик водосборных бассейнов на те или иные воздействия, если в пределах этих водосборов не велись гидрометрические исследования и нет исходных данных для калибровки концептуальных моделей.

Среди детерминированных моделей диффузного загрязнения водоемов принято выделять три основные группы.

Первую группу составляют наиболее простые модели, часто применяющиеся для решения практических задач оценки стока загрязняющих веществ с водосборных территорий по известному уровню их загрязнения: задачи оперативного прогнозирования химического состава стока с различных полигонов, с сельскохозяйственных угодий, а также с территорий, подвергшихся площадному загрязнению в результате разного рода аварий. При их разработке опираются на детерминированные гидрологические модели для расчета слоя водного стока, а перенос загрязняющих веществ в системе «водосбор — водоем» описывают, выделяя жидкую и твердую составляющие, с использованием коэффициентов, характеризующих эффективности перехода поллютантов из почвенного покрова в' сток и выноса их стоком в приемный водоем. Иногда, в наиболее простых моделях, эти коэффициенты просто устанавливают пропорциональность между объемом стока с водосбора и величиной нагрузки на приемный водоем, т. е. играют, по сути, роль средних концентраций загрязняющих веществ в стоке. В других моделях для определения коэффициентов выноса разрабатываются концептуальные подмодели.

Разработка детерминированной модели водосборной территории

Вторая группа в системе моделей формирования качества природных вод на водосборах состоит из моделей, описывающих процессы трансформации и миграции загрязняющих веществ в верхнем слое почвы. Растения и почвенные организмы вовлекают химические элементы в свои жизненные циклы, а потому активность биологических систем почвенного слоя влияет и на содержание биогенных элементов в почвенном скелете, и на состав почвенных растворов и грунтовых вод. Загрязнение территорий токсичными поллютантами — тяжелыми металлами, хлорорганическими соединениями, фенолами — может сказаться на видовом составе биоценозов, привести к снижению их биомассы, что, в свою очередь, нарушит сложившиеся биохимические циклы и изменит потоки вовлеченных в них биогенных элементов. Все эти процессы весьма сложны, сильно зависят от вида поллютанта, его физико-химических и биохимических свойств, но их исследование необходимо, потому что именно они во многом определяют то количество загрязняющих веществ, которое будет переходить из почвенного слоя в поверхностный сток, а с ним и в водоемы.

К третьей группе относятся модели переноса веществ в подземных водах. Загрязнение последних (за счет просачивания в них поллютантов из верхних слоев почв) само по себе таит серьезную опасность ввиду их широкого использования в хозяйственных целях - коммунальное, промышленное, сельскохозяйственное водоснабжение, а во многих крупных городах — в качестве источников питьевой воды. Кроме того, попавшие в подземные воды загрязняющие вещества переносятся подземным стоком и при достижении зоны разгрузки дают дополнительную нагрузку на водные объекты.


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 - 2017