Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 5
1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР РАБОТ ПО МЕТОДАМ И
СРЕДСТВАМ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ КАЧЕСТВА ВОДЫ ВОДНЫХ
ОБЪЕКТОВ И НОРМИРОВАНИЯ ТЕХНОГЕННОЙ НАГРУЗКИ. 8
1.1. Оценка основных факторов, определяющих формирование качества
воды. 8
1.2. Нормирование качества воды водных объектов на основе оценки
ПДВВ. 12
1.3. Математическое описание процессов формирования качества воды;
начальные и граничные условия. 17
Параметры математических моделей формирования качества воды. 22
Имитационное моделирование задач формирования качества воды при различных видах техногенной нагрузки. 26
2. ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ И
РЕШЕНИЯ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ УРАВНЕНИЙ. 31
2.1. Численные методы решения задач конвективно-диффузионного
переноса и превращения веществ (КДП и ПВ). 31
2.1.1. Численные методы решения задач массопереноса,
описываемых уравнениями с обыкновенными производными. з 1
2.1.2. Численные методы решения задач массопереноса,
описываемых уравнениями с частными производными. 34
2.2. Развитие и особенности методов моделирования 38
3. НОРМИРОВАНИЕ ТЕХНОГЕННОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ ВОДНЫХ
ОБЪЕКТОВ НА ОСНОВЕ СХЕМОТЕХНИЧЕСКОГО
МОДЕЛИРОВАНИЯ. 45
Принципы схемотехнического моделирования. 45
Используемая компьютерная база для схемотехнического
моделирования. 47
Система DesignLab. 47
Альтернатива использования новой версии системы DesignLab
- пакета прикладных программ OrCAD 9. *. 49
3.2.3. Математический пакет прикладных программ MatLab. 50
3.3. Схемотехническая реализация типовых задач КДП и ПВ с целью
нормирования техногенного загрязнения. 52
Реализация моно- и бимолекулярной моделей. 52
Реализация нестационарного одномерного уравнения
КДП и ПВ. 55
Реализация стационарного двухмерного уравнения КДП и ПВ. 57
Реализация стационарного двухмерного уравнения КДП и ПВ
для случая нескольких водовыпусков. 59
3.3.5. Реализация нестационарного одномерного уравнения
КДП и ПВ. 63
3.4. Возможность использования пакета прикладных программ MatCAD 8. *. 68
3.5. Особенности и преимущества задания и реализации начальных и
граничных условий при схемотехническом моделировании. 68
4. МЕТОДИКА И ПРИМЕРЫ СХЕМОТЕХНИЧЕСКОГО
МОДЕЛИРОВАНИЯ. 74
Моделирование моно- и бимолекулярных процессов БПК-02. 74
Моделирование одномерной нестационарной задачи для неконсервативных примесей. 75
4.2.1. Моделирование одномерной нестационарной задачи с
постоянными параметрами для неконсервативных примесей 75
4.2.2. Моделирование одномерной нестационарной задачи с
переменными параметрами для неконсервативных примесей. 78
4.3. Моделирование двухмерной стационарной задачи для
неконсервативных примесей. 82
4.4. Моделирование двухмерной стационарной задачи для
неконсервативных примесей для случая нескольких техногенных
источников сброса. 86
4.4.1. Моделирование двухмерной стационарной задачи для
неконсервативных примесей для случая нескольких источников
сброса с использованием пакета DesignLab 8.0. 86
4.4.2. Алгоритм и пример решения по двухмерной стационарной
модели КДП и ПВ с несколькими водовыпусками с использованием
пакета MatLab 5. *-6. *. 91
4.5. Дополнительные рекомендации пользователю по использованию
возможностей рассмотренных пакетов прикладных программ
применительно к данной методике. 110
4.6. Сравнение схемотехнического моделирования с классическими видами
моделирования. 116
Сравнительная оценка схемотехнического моделирования. 116
Сравнительная оценка схемотехнического моделирования и распространённых программ «Сброс», «Гидроэкопрогноз» и
«Waste». 118
4.7. Сравнение схемотехнического моделирования с аналитическим
решением. 125
ВЫВОДЫ 134
ЛИТЕРАТУРА 136
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Результаты решения моно- и бимолекулярной задач. 141
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Результаты моделирования одномерной нестационарной
задачи КДП и ПВ для неконсервативных примесей. 144
ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Пример моделирования распространения концентраций загрязняющего вещества в реке Вуокса с целью нормирования техногенной
нагрузки и прогноза качества воды по двухмерной стационарной модели
КДП и ПВ с несколькими водовыпусками с использованием пакета MatLab
5.* с дополнительными рекомендациями пользователю и подробным
описанием ППП для целей данной задачи. 149
ПРИЛОЖЕНИЕ 4. Сравнение результатов моделирования, полученных с
помощью программы Westa 4.5 и DesignLab 8.0. 167
ПРИЛОЖЕНИЕ 5. Использование специальных (сервисных) процедур
при схемотехническом моделировании. 175
ПРИЛОЖЕНИЕ 6. Акты внедрения.
Введение к работе
Современная методология оценки предельно-допустимых вредных воздействий (ПДВВ) на водный бассейн предопределяет необходимость учёта взаимовлияния водовыпусков различных водопользователей в пределах всего водного бассейна или большой его части. Для решения задач такого рода необходимо развитие методов и средств имитационного моделирования всего водного бассейна или большой его части с учётом места расположения и специфики работы каждого водовыпуска, их взаимовлияния, а также особенностей водного объекта. Реализация принципа бассейнового нормирования техногенного загрязнения водных объектов с учётом требований новой методологии оценки ПДВВ связана с необходимостью разработки технических и программных средств нового поколения. Эти средства должны позволить реализовать математические модели переноса и превращения загрязняющих веществ с учётом переменных гидролого-морфологических и гидродинамических характеристик на всех расчётных участках водного бассейна, а также учесть естественные притоки, сосредоточенные и диффузные источники загрязнения на основе.
Обеспечение экологических стандартов качества воды водных объектов с учётом изменения естественных факторов связано с необходимостью нормирования техногенной нагрузки.[1] В настоящее время для нормирования нагрузки на водные объекты используются различного типа модели конвективно-диффузионного переноса и превращения веществ (КДП и ПВ). Обеспечение экологических стандартов качества воды водных объектов связано с необходимостью нормирования антропогенной нагрузки с учётом естественных факторов. Для решения задач такого рода необходимо использование современных средств имитационного моделирования речного бассейна.
Современный уровень развития вычислительной техники и программного обеспечения позволяет перейти на новый тип моделирования и сделать процедуру создания структурных схем замещения более простой, а моделирование более быстрым и качественным. Появляются возможности реализации таких параметров и условий, которые раньше учесть было достаточно сложно. При реализации новой концепции экологического нормирования особенно актуально развитие методики моделирования обеспечивающей как учёт взаимовлияния всех водопользователей, так и возможность перераспределения нагрузки между ними.
Практическое осуществление новой методики бассейнового нормирования в связи с её комплексностью должно базироваться на использовании современных пакетов прикладных программ, адаптированных для моделей соответствующих исследуемому объекту.
Это предопределило цель диссертационной работы - разработать методику для нормирования техногенного загрязнения и для прогнозирования качества воды водных объектов при различных видах техногенной нагрузки на основе средств схемотехнического моделирования. Которая и была осуществлена.
Одной из наиболее значительных концепций по отношению к формированию качества природных вод является концепция ассимилирующей способности водного объекта, т. е. способности природных вод к разложению большого числа компонентов, содержащихся в твёрдых и жидких отходах. Для исследования и прогнозирования процессов формирования качества воды наиболее эффективно
имитационное моделирование с использованием различных программных и технических средств.
Имитационное моделирование позволяет описать и предсказать ответную реакцию водной среды на те или иные внешние воздействия. Определяющие процессы, протекающие в водной среде, связаны с конвективно-диффузионным переносом и трансформацией загрязняющих веществ.[1]
При описании процессов переноса веществ загрязнения и разбавления сточных вод необходимы данные по гидрологии и гидродинамике водного объекта, характеристики течений и турбулентной диффузии. При описании процессов формирования качества воды учитываются процессы осаждения трудно растворимых примесей, а также вторичное загрязнение.
Для моделирования легкорастворимых примесей и процесса самоочищения водной среды наибольшее применение в инженерной практике нашли мономолекулярная (Фелпса-Стритера) и бимолекулярная модели, а также нестационарные одно- и двухмерные модели конвективно-диффузионного переноса и превращения веществ (КДП и ПВ).
В соответствии с методикой оценки ПДВВ на водный бассейн с использованием схемотехнического моделирования после прогноза качества воды при существующих сбросах и проведённого анализа перераспределяется нагрузка между источниками сбросов.
Квотирование нагрузки предопределяет необходимость:
анализа существующей ситуации по распределению концентраций загрязняющих веществ в водном объекте, включая оценку соответствия нормативам предельно-допустимых концентраций (ПДК) по отдельным показателям по группам лимитирующих показателей вредности (ЛИВ); оценки характера распределения концентраций в водном объекте, которая включает в себя уже не столько количественную характеристику, сколько общую картину эпюр концентраций, позволяющую определить вклад в загрязнение каждого источника, с учётом его месторасположения и типа;
анализа возможностей уменьшить вредные сбросы от каждого источника загрязнений в отдельности: его финансового состояния, существующих технологий и систем очистки сточных вод, типа производства и используемого оборудования;
оценки возможности уменьшить или перераспределить нагрузку для каждого источника сбросов по какому-либо показателю внутри одной группы ЛПВ. В результате определены основные задачи исследований:
Разработка методики и алгоритма имитационного моделирования речного бассейна.
Разработка специализированных схемотехнических средств для реализации типовых моделей КДП и ПВ, начальных и граничных условий.
Разработка методики оценки предельно-допустимых вредных воздействий (ПДВВ) на водные объекты и алгоритма перераспределения нагрузки в речном бассейне на основе методов и средств схемотехнического моделирования.
Предлагаемая методика схемотехнического моделирования позволяет провести оперативный анализ характера распределения концентраций в водном
объекте. А затем, на основе принятого решения, включающего в себя проведённый экономический анализ и анализ существующих и возможных схем очистки сточных вод и схем производств провести расчёт и проанализировать вновь созданную ситуацию для различных вариантов. Моделирование проводится также с учётом различных конструкций водовыпусков и перераспределения нагрузки по источникам сбросов с учётом групп ЛПВ.
В рамках данной работы рассмотрена методика и примеры реализации типовых
моделей КДП и ПВ и кинетических линейных и нелинейных уравнений БПК-02 с
помощью аналого-цифровых средств нового поколения [2]. Для реализации
использованы: пакет прикладных программ для схемотехники DesignLab 8.0 и математический пакет MatLab 5. *.
Осуществление оперативного прогнозирования загрязнения водных объектов при опасных аварийных сбросах сточных вод является весьма сложной задачей как в организационном плане, так и в выборе методов математического описания процессов, происходящих в водных объектах при нестационарных условиях поступления в них загрязняющих веществ. Опасные аварии в большинстве случаев происходят там, где их меньше всего ожидают [71]. Предлагаемая авторами методика прогнозирования качества воды позволяет дать быстрый и точный прогноз распространения загрязняющих веществ, попавших в водный объект в результате аварии.
