Исследование диффузного загрязнения - параметры системы, переменные состояния, входные переменные

Исследование диффузного загрязнения любого водного объекта предполагает его изучение во взаимодействии с водосборной территорией в целом. Это ставит исследователей перед необходимостью использовать методы системного подхода. Под системой здесь следует понимать водосбор как территориальную единицу, которая имеет четко очерченные границы, охватывающие связанные общим стоком элементарные ландшафты. Математическое моделирование, являясь одним из инструментов системного анализа, широко применяется в мировой науке и инженерной практике для оценки рассредоточенной нагрузки на реки и водоемы.

Применение математических моделей для количественных расчетов диффузного загрязнения водных экосистем требует сбора довольно большого объема информации, необходимой как для использования ее в самих математических моделях, так и для их калибровки и верификации. Согласно [Novotny and Chesters, 1981], чтобы обеспечить работоспособность математических моделей неточечных источников необходимо собрать информацию о следующих параметрах и переменных:

Параметры системы

Размер водосбора.
Разбиение водосбора на участки с однородными характеристиками.
Водопроницаемость каждого участка.
Уклоны.
Доля водонепроницаемой площади, непосредственно связанной с рекой.
Максимальная влагоемкость поверхности водосбора (накопление в низинах плюс перехват).
Характеристики почв, включая текстуру, проницаемость, предрасположенность к эрозии и состав.
Посевы и растительный покров.
Придорожные канавы или длина уличных водостоков.
Система канализации или естественные дренажные характеристики.

Переменные состояния

Окружающая температура.
Коэффициенты реакций.
Коэффициенты адсорбции/десорбции.
Стадия роста посевов.
Суточная скорость накопления мусора.
Интенсивность и скорость движения по улицам и автострадам.
Адсорбирующая способность взвешенного вещества (для исследуемого поллютанта).
Солнечная радиация (для некоторых моделей)

Входные переменные

Осадки.
Атмосферные выпадения.
Скорость испарения

Из приведенных данных нетрудно понять, что с математической точки зрения проблема моделирования неточечных источников является более сложной задачей, чем проблема точечных источников Действительно, даже в простейшем случае моделирования диффузного загрязнения реки для схематизации изучаемой системы «река - водосбор» требуется двумерное представление, по крайней мере, подсистемы «водосбор».

Кроме того, неточечные источники, в отличие от точечных, требуют некоторой аппроксимации для применения в моделях качества воды — и пространственной (например, в виде линейного источника вдоль береговой линии), и временной (постоянно действующая нагрузка или импульсный источник, возникающий в каких-то метеорологических условиях).

Следовательно, если при учете точечных источников в детерминистических моделях качества воды достаточно было характеристик расхода источника, то в случае моделирования рассредоточенной нагрузки приходится одновременно проводить расчеты и самой этой нагрузки, и течении в русле (руслах), и параметров, определяющих качество воды и последнее вопросы калибровки моделей неточечных источников - одни из самых трудно разрешаемых.

В случае точечной нагрузки на водные объекты калибровка моделей качества воды могла быть проведена с помощью определенных наборов литературных данных и ограниченного числа натурных измерений, причем приемы и методы калибровки достаточно хорошо разработаны В случае же моделей неточечных источников часто даже всесторонние полевые работы не могут обеспечить того набора данных, который необходим для калибровки комплексных многопараметрических моделей