Введение к работе
Актуальность проблемы. Проблема сохранения природных вод, их качества и ресурсного потенциала водосборов особенно актуальна для промышленно развитых стран мира и, в том числе, для Российской Федерации. Обострение экологических проблем, связанных с ухудшением состояния водных объектов под влиянием антропогенной нагрузки, определяет необходимость получения максимально точной и достоверной информации об источниках загрязнения, объемах поступления и распространении загрязняющих веществ.
Одним из требований методических указаний по разработке нормативов допустимого воздействия на водные объекты, разработанных в соответствии с Постановлением Правительства Российской Федерации от 30 декабря 2006 № 881 «О порядке утверждения нормативов допустимого воздействия на водные объекты» и утвержденных приказом МПР от 12.12.2007 № 328, является определение общей массы привноса в водный объект или его часть загрязняющих химических и иных веществ с учетом всех источников воздействия, особенностей миграции и трансформации веществ, а также транзитного поступления загрязняющих веществ. При планировании ряда водохозяйственных мероприятий важное практическое значение имеет объективная оценка и прогноз пространственно-временной изменчивости качества вод. Создание математической модели, адекватно отображающей процессы распространения загрязняющих веществ (ЗВ) в водотоке, определяет актуальность исследований данного направления.
Цели и задачи исследований. Целью исследований является разработка расчетных методов, математических моделей и программных средств для прогнозирования распространения загрязняющих веществ (азотных соединений) в руслах рек и каналов.
Для достижения поставленной цели были решены следующие основные задачи:
1) изучить основные процессы, связанные с распространением загрязняющих веществ в водотоке при точечном и диффузном стоке загрязняющих веществ;
2) выполнить анализ современных методов прогнозирования распространения загрязнителей в водной среде;
3) провести натурные экспериментальные исследования динамики распространения примесей, а именно, азотных соединений в магистральном канале;
4) разработать модель переноса и трансформации загрязняющих веществ в водотоке;
5) разработать алгоритм расчета диффузного стока на основе данных натурных наблюдений;
6) выполнить сравнительный анализ результатов прогнозирования распространения загрязняющих веществ, полученных с помощью разработанной методики и других моделей (программного комплекса MIKE 11), используя для сравнения результаты прямых измерений;
7) рассчитать контрольный пример распространения азотных соединений на основе натурных данных р. Оки.
Методология и методика исследований. Методологической основой исследований являются совокупность принципов и научных положений, применяемых в мелиорации и водном хозяйстве, а также методы математического моделирования, уравнения математической физики, гидродинамики и гидравлики, численный эксперимент и теоретическое обобщение. Натурные исследования проводились на экополигоне «Мещера» ОПХ «Полково» и включали измерения распространения загрязнителей в водотоке путем отбора проб и их химического анализа, а также прямые измерения характеристик потока воды с помощью специальной аппаратуры.
Научная новизна исследований состоит в предложенном теоретическом обосновании и практической реализации метода прогнозирования распространения загрязнителей в водной среде, основанного на аналитическом и численном решении одномерного нестационарного уравнения конвективно-диффузионного переноса растворенных веществ для случаев точечного и диффузного попадания вещества в водоток.
В результате исследований определены гидрологические и гидравлические характеристики водотока и условия распространения загрязняющих веществ, при которых обеспечивается необходимая точность и достоверность расчетов для решения мелиоративных и природоохранных задач. Разработан набор программных средств для решения наиболее востребованных эколого-мелиоративных вариантов прогноза динамики процессов переноса растворенных в воде веществ. В натурных экспериментах и с помощью математических моделей изучено распространение азотных соединений в магистральном канале при сосредоточенном (из дрен) и диффузном (грунтовое питание и поверхностный смыв) попадании в водоток.
На защиту выносятся следующие основные положения:
- закономерности влияния гидравлического режима, факторов самоочищения и поступления соединений азота на динамику их движения в открытом русле;
- аналитическое решение одномерного нестационарного уравнения конвективно-диффузионного переноса неконсервативных примесей;
- алгоритм расчета диффузного стока и коэффициента скорости распада загрязняющих веществ в водотоке;
- методика прогнозирования распространения неконсервативных примесей в водотоке при точечном и диффузном сбросе, а также в местах отбора водных ресурсов из малых рек, используемых для орошения земель сельскохозяйственного назначения.
Практическая значимость. Разработанный метод оценки распространения растворенных загрязнителей в водной среде, включающий модели, численные схемы расчета и программы для персонального компьютера, может быть использован для повышения обоснованности принятия решений при комплексном управлении водохозяйственными системами, в том числе для обоснования мест размещения водозаборов питьевого и сельскохозяйственного водоснабжения и сброса дренажных вод с учетом колебаний его объемов, химического состава, концентраций, а также изменений характеристик гидрологического режима водного объекта.
Разработанные модели могут быть применены для анализа данных мониторинга качества воды и гидрологического режима малых рек с целью определения экологической устойчивости водного объекта и предотвращения его деградации на основе количественных оценок самоочистки вод при различных антропогенных нагрузках и в зависимости от сезона года. Кроме того, этот подход может быть использован при проектировании систем биологической очистки дренажных и других сбросных вод, а также для определения экологически безопасных мест размещения водозаборов и водоотведения для водоснабжения гидромелиоративных систем.
Личный вклад автора. В диссертации представлены результаты собственных исследований в области распространения загрязнителей в водотоке: анализ и обобщение литературных источников по данной проблеме; изучение и освоение экспериментальных полевых и лабораторных методов определения качества воды и гидравлического режима потока; освоение программного комплекса (MIKE11); формализация модели и аналитического решения одномерного уравнения конвективно-диффузионного переноса; вывод алгоритма расчета диффузного стока, проведение численных экспериментов с моделями, анализ и обобщение полученных численных материалов.
Апробация работы. Материалы исследований докладывались и обсуждались на секции Ученого Совету ГНУ ВНИИГиМ «Водное хозяйство» (2005-2011 гг.). Основные результаты докладывались: в 2009г. на 58 научно-технической конференции МИРЭА, подсекции «Комплексы моделирования природоохранной деятельности»; в 2011г. на 9-ой международной конференции МГУ «Государственное управление в XXI веке: традиции и инновации», в рабочей группе «Управление природными ресурсами в условиях перехода к устойчивому развитию».
Публикации. Основные результаты работы опубликованы в 7 научных работах, в том числе 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК по данной специальности.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав и выводов, изложена на 115 стр. машинописного текста, иллюстрирована 27 рисунками, содержит 19 таблиц. Список литературы включает 114 наименований литературных источников на русском языке и 43 на иностранных языках.
