Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние проблемы мониторинга водных объектов 10
1.1. Современная классификация систем мониторинга, автоматизированные системы мониторинга 13
1.2. Источники загрязнения природных вод 15
1.3. Методы и системы мониторинга водных объектов 18
Глава 2. Гидродинамика водной среды и схемы распространения загрязняющих веществ в водохранилищах 46
2.1. Внешние и внутренние экологические процессы, влияющие наводную среду водохранилищ 46
2.2. Анализ схем переноса веществ в водной среде современны-ми методами гидродинамики 52
2.3. Балансовая схема поля концентраций загрязняющих веществ в бассейне водохранилищ 56
2.4. Межкамерный водообмен 63
2.5. Внутриводоемные процессы в водохранилище 66
2.6. Схема определения концентраций загрязнителей в сточных водах 71
2.7. Схема распространения загрязняющих веществ в акватории водохранилищ для стационарного режима 75
Глава 3. Разработка интерполяционного метода мониторинга акватории водохранилища 79
3.1. Численное моделирование поля загрязнения акватории водохранилищ 79
3.2. Разработка интерполяционного метода экологического мониторинга акватории водохранилищ 89
3.2.1. Проблема прогнозирования поля загрязнения водохранилищ при наличии погрешностей в монитори-руемых данных 89
3.2.2. Выбор базовой схемы прогнозирования экологической ситуации в акватории водного объекта 90
3.2.3. Разработка метода стохастической оценки поля загрязнения акватории водохранилищ по предистории его наблюдения в точках отбора проб воды 92
3.2.4. Разработка метода стохастической оценки параметров модели текущего экологического состояния акватории водохранилищ по актуальным данным его наблюдения в точках отбора проб воды 97
3.2.5. Критерий оптимального выбора базисной функции для интерполяционной модели поля загрязнения акватории водохранилища 112
3.2.6. Синтез рационального плана размещения точек отбора проб для экологического мониторинга акватории водохранилища 113
3.3. Алгоритмы синтеза прогнозирующего базиса для задачи экологического мониторинга по данным предистории полей загрязнения водохранилища 117
3.4. Результаты численного исследования интерполяционного метода экологического мониторинга акватории водохрани лищ 120
Глава 4. Экспериментальное исследование разработанного метода на примере шатского водохранилища 125
4.1. Структура автоматизированной системы экологического мониторинга акватории водохранилищ и алгоритм интерпретации наблюдаемого экологического состояния водного бассейна водоемов 128
Заключение 132
Выводы 134
Литература 135
- Источники загрязнения природных вод
- Анализ схем переноса веществ в водной среде современны-ми методами гидродинамики
- Разработка интерполяционного метода экологического мониторинга акватории водохранилищ
- Структура автоматизированной системы экологического мониторинга акватории водохранилищ и алгоритм интерпретации наблюдаемого экологического состояния водного бассейна водоемов
Введение к работе
Актуальность работы. Разработка методов экологического мониторинга водных объектов в условиях дефицита целевых экологических показателей, действия помех измерения, пространственной, временной неравномерности и дискретности целевых данных предполагает предварительный анализ изучаемой проблемы, составление схемы сбора исчерпывающего статистического материала, достоверно отражающего внутренние закономерности между наблюдаемыми факторами и изучаемым экологическим состоянием водной среды, оценку их достоверности, подтверждения наблюдаемых сходств или различия с аналогичными данными или контрольными экспериментами, оценку причинно-следственных связей, оценку устойчивости метода при случайных погрешностях в значениях входных показателей и в ситуациях, когда отсутствует полный набор факторов, влияющий на динамику целевого параметра.
Выбор метода мониторинга целевого объекта усложняется при наличии перекрестных зависимостей между отдельными наблюдаемыми загрязняющими или провоцирующими факторами, когда проявление одного фактора является следствием возникновения другого, особенно при нелинейном характере этих зависимостей. При этом необходимо учитывать особенности внутриводоемных процессов самоочищения, репродукции, сезонные показатели свойств водной среды.
Эти, далеко неполные, особенности водохранилищ приводят к необходимости разработки наиболее эффективного метода мониторинга экологических процессов, протекающих в среде водного объекта
Цель работы. Целью диссертационной работы является создание эффективного метода экологического мониторинга акватории водохранилищ в условиях ограниченности точек отбора проб воды, действия помех измерения и дефиците знаний о закономерностях физических, химических и биологических процессов, протекающих в водной среде водохранилищ различной топологии и геометрии.
Задачи, решаемые в работе: 1. Изучение особенностей и закономерностей физических и биохимических процессов, протекающих в водной среде в условиях
\ ^С НЛцио^ 1
/ 8ИБЛИ0ГЕКД
экологического загрязнения.
-
Разработка камерной модели бассейна водохранилища, линеаризующей межкамерные водообменные процессы.
-
Разработка метода восстановления поля загрязнения акватории водохранилищ по результатам замера концентраций целевых ингредиентов в ограниченных точках отбора проб.
-
Разработка метода синтеза оптимального плана размещения точек отбора проб загрязняющих веществ с целью наиболее адекватного восстановления поля загрязнения акватории водо- /, хранилища
-
Экспериментальное обоснование эффективности разработанного метода мониторинга.
-
Разработка принципиальной схемы экологического мониторинга акватории водохранилищ.
Методы исследования.
В работе использованы классические статистические и гидродинамические методы исследования особенностей загрязняющего процесса, протекающего в водной среде водохранилищ. Для разработки методов восстановления поля загрязнения и синтеза оптимального плана размещения точек отбора проб за основу был взят метод стохастической интерполяции.
Научная новизна.
-
Предложена балансовая многокамерная модель для расчета полей распространения загрязняющих веществ в бассейне водохранилищ.
-
Проведенное в работе исследование многолетних лабораторных анализов воды Шатского водохранилища методом стохастической интерполяции позволило установить, что существует рациональный план размещения точек отбора проб воды, обеспечивающий адекватный мониторинг всей акватории водохранилища.
-
На основе метода стохастической интерполяции создана методика контроля водной среды закрытых водоемов.
Практическая ценность работы состоит в теоретическом обосновании принципа обучения программных средств на данных многолетних наблюдений состояния водной среды водохранилищ с целью вы-
явления внутренних закономерностей, имеющих место при протекании гидрохимических процессов в водном объекте произвольной геометрической топологии, в условиях различных метеорологических характеристик окружающей среды, сезонных показателей среды мониторирова-ния и географических особенностей расположения целевого водного объекта. Принцип программного обучения, разработанный в данной работе позволяет выявить скрытые закономерности физических и гидрохимических процессов, протекающих в среде водного объекта.
Реализация результатов работы. Основные идеи и результаты теоретических, экспериментальных исследований реализованы в программных пакетах «Вода» и «Атмосфера», использоваемые и внедренные в Новомосковском комитете по охране природы, в учебном процессе НИ РХТУ и предложены на реализацию в организациях мониторинга водного хозяйства РФ.
Достоверность работы. Разработанный метод мониторинга акватории водохранилищ аппробирован на примере Шатского водохранилища г.Новомосковска Тульской области. Результаты более чем 3-х летнего испытания данного метода для данного объекта подтвердили достоверность мониторинга акватории Шатского водохранилища, реализованном в программном пакете «Вода», со средней ошибкой неадекватности за 3-х летний период менее 7,5%. Последующая программная коррекция метода с учетом внепланвых замеров при вненормативных сбросах загрязняющих веществ обеспечивала точность мониторинга не хуже 8,5% даже в случае экологической нагрузки на целевой водный объект относительно средней его предистории более чем в 34,8%
Автор выносит на защиту:
Методику экологического мониторинга актватории водохрнаи-лищ на основе метода стохастической интерполяции;
Методику синтеза рационального плана размещения точек отбора проб, обеспечивающего адекватный контроль экологического состояния акватории водохранилищ.
Апробация работы. Основные идеи и результаты работы были представлены и обсуждены на:
XLIV научно-практической конференции МИХМ 22.01.1991 г.
II международная научно-практическая конференция «Экологи-
ческие проблемы индустриальных мегаполисов» 24-27 мая 2005 года в МГУМ.
XVIII международная научная конференция «Математические методы в технике и технологиях ММТТ-18», Казань, 2005.
В ряде публикаций «Вестника академии РАДСИ», 1998, 2001, 2002,2004 гг.
III Всесоюзного совещания "Метрология ионизирующих излучений,-Л.,-1990г..
III Всесоюзной научной конференции КХТП-Ш, Москва, 1989 г
III Всесоюзного совещещания "Метрология ионизирующих излучений", -Л, -1990 г..
В 8 публикациях тезисов научно-практических конференций РХТУ им. Д.И.Менделеева, Новомосковский институт, -1998 -2005 гг.
Публикации. Тема диссертации представлена в 9 публикациях. В части публикаций, подготовленных в соавторстве, основные идеи те-оретитеских разработок принадлежат автору и научному руководителю работы. Практическая проверка изложенных в диссертации идей, их коррекция и программная реализация принадлежат автору настоящей работы.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы с 105 наименованиями.
Источники загрязнения природных вод
В последнее время загрязнение природных вод приобрело глобальный характер, что в значительной степени объясняется чрезвычайным многообразием источников загрязнения. Еще относительно недавно считалось, что основным источником загрязнения вод является промышленность. Это обусловливало основной поток информации по оценке воздействия промышленных сточных вод на водные ресурсы, распространению струй в водоемах и водотоках, вопросам разбавления и т.п. При этом в качестве основных мер борьбы рассматривались вопросы перевода промышленности на оборотное водоснабжение и безводную технологию. В целом ряде случаев это было осуществлено, но угроза загрязнения природных вод не уменьшилась.
Кроме появления специфических загрязнений и увеличения поступления в окружающую среду веществ, известных ранее, изменились пути их миграции в природе. Хозяйственная деятельность человека по перераспределению водных ресурсов приводит к изменению естественных процессов самоочищения природных вод, создает новые условия для формирования качества воды. Наиболее ярким примером в данном случае может служить строительство водохранилищ, что приводит к замедлению водообмена и снижению самоочищающей способности природных вод, созданию неблагоприятных условий формирования качества воды, выражающихся в эв-трофировании и ухудшении многих показателей, особенно с точки зрения питьевого водоснабжения, представляющего одну из наиболее актуальных проблем современности. Качественные показатели воды в источниках питьевого водоснабжения жестко регламентируются, при промышленном водозаборе также вводятся критерии по качеству, так как различные отрасли промышленности используют воду с различными параметрами качества. То же относится и к качеству воды, забираемой для нужд сельского хозяйства и других отраслей.
Хозяйственные и бытовые стоки наибольшее воздействие оказывают на водные ресурсы рек. Это влияние необходимо рассматривать в совокупности с воздействиями других источников поступления загрязняющих веществ, например, склонового стока, атмосферных осадков и пр.
Загрязнение природных вод начинается с момента поступления соответствующих веществ в водный объект, т.е. начальный этап процесса загрязнения в значительной степени зависит не только от свойств загрязняющих веществ, но и от пространственно-временных характеристик источника загрязнения. При этом важная роль принадлежит не только самому веществу, но и типу первоначального воздействия на водоем, т.е. способу поступления стоков. Вопросы контроля, охраны и управления качеством воды также в значительной мере зависят от пространственно-временных типов источников, так как борьба с одним и тем же видом загрязняющих веществ зависит от путей его поступления и изменчивости во времени.
По временному признаку, поступление загрязняющих веществ может быть мгновенным, которое возникает в результате залпового сброса, например, при авариях танкеров и других судов, авариях на очистных сооружениях, а также во время сильных ливней резко увеличивающих количество загрязненных вод склонового стока и непрерывным, под которым подразумевается постоянное (или изменяющееся во времени) поступление веществ, нежелательных с точки зрения водопотребителей или отрицательно воздействующих на экологию водоемов. Сочетания класса загрязняющих веществ с временным характером поступления могут вызывать кратковременное или долговременное загрязнение, обладающее специфическими свойствами, определяющими его дальнейшую судьбу. Это относится прежде всего к способам борьбы, так как опасность загрязнения тесно связана со степенью консервативности и временем поступления вещества.
Но пространственному признаку источники загрязнения подразделяются следующим образом:
1. Точечные - различные виды промышленных и бытовых стоков, а также некоторые сельскохозяйственные загрязнения (в основном связанные с животноводством и обслуживанием сельского хозяйства), поступающие через коллекторы сточных вод и проходящие, как правило, предварительную очистку.
2. Неточечные (как правило линейные), иногда называемые распределенными, - склоновый сток с сельскохозяйственных угодий, урбанизированных территорий (ливневый сток) и другие, главной особенностью которых является практически полное отсутствие очистки, за исключением собственных процессов разложения или комплексообразования веществ перед поступлением в водоемы или водотоки.
3. Площадные (пространственные) - главным образом выпадения с атмосферными осадками вследствие загрязнения атмосферы промышленными выбросами.
Чрезвычайно важным типом источников загрязнения, который требует самостоятельного выделения, являются вторичные источники загрязнения - донные отложения, фильтрации из подземных горизонтов, а также косвенные причины (химические реакции между компонентами естественной водной среды и антропогенным поступлением вещества).
С точки зрения потенциальной опасности загрязнения водоема или водотока и поведения зарязняющего вещества в зависимости от типа источника необходимо принимать во внимание характеристику зоны водного объекта по отношению к источнику. К таким характеристикам относятся: гидродинамические, гидрохимические и гидробиологические особенности ближней акватории, которые, определяя начальный этап разбавления и трансформации вещества, можно в некотором смысле рассматривать как самостоятельные «источники» поступления загрязняющих веществ в водный объект в целом.
Анализ схем переноса веществ в водной среде современны-ми методами гидродинамики
Разбавление сточных вод в водотоках и водоёмах определяется комплексным влиянием следующих основных факторов: 1. Гидрологическими и гидродинамическими особенностями водоемов и водотоков, в которые производится сброс сточных вод; 2. Конструктивными и технологическими особенностями выпуска сточных вод К первой группе факторов относятся переносное движение и турбулентность водных масс с обусловливающими их причинами, такими как сток воды, ветер, морфометрические характеристики русла водотока или ложа водоема, шероховатость. К этой же группе относятся свойства водной среды и состав содержащихся в ней веществ. Существенная роль в первой группе факторов принадлежит поперечным течениям, расширяющим области распространения сточных вод и способствующим усилению перемешивания водных масс в потоках и водоемах.
Вторая группа включает такие факторы, как расположение в потоке выпускного сооружения, число, форма и размеры выпускных отверстий, расход и относительная скорость истечения сточных вод, физические свойства, концентрация загрязняющих ингредиентов.
Для мониторинга состояния водной среды необходимо оценивать качество воды с помощью одной или нескольких числовых величин, при этом качество природных вод представляет собой совокупность физических, химических и биологических показателей, определяющих степень пригодности воды для конкретных видов водопользования и отвечающих требованиям охраны окружающей среды. Оно характеризуется составом и количеством растворенных и взвешенных в воде веществ, содержанием биомассы и микроорганизмов, температурой и другими физическими характеристиками. Упрощенные методы расчета применяются в тех случаях, когда применение численных методов решения уравнения турбулентной диффузии встречает затруднения, например в связи со срочностью поставленной задачи. Методы позволяют вычислять расстояние до створа с заданной степенью разбавления или значение максимальной концентрации загрязняющего вещества на заданнном расстоянии от места выпуска сточных вод.
В приложении І дана краткая характеристика упрощенных методов и некоторых методов, использующих численное решение уравнения турбулентной диффузии. В работе [] приведен сравнительный анализ данных методов.
Как видно из таблицы, наиболее удовлетворительные результаты показал метод А.В.Караушева, основанный на численном решении уравнения турбулентной диффузии в узлах криволинейной сетки, аппроксимирующей элементарный объем водного объекта. Экспресс-метод ГГИ применим тогда, когда отношение расхода реки к расходу сброса лежит в пределах от 6 до 43. Метод аппроксимирующих функций показывает удовлетворительные результаты при 1 X, 6. В остальных случаях он дает заниженные в 3-4 раза величины кратности разбавления. Большая величина ошибки вызвана недостаточной точностью эмпирических коэффициентов, входящих в формулы метода.
Проведенные расчеты показали, что в методе УралНИИВХ заметное влияние на величину кратности разбавления оказывает эмпирический коэффициент г. При использовании рекоммендованного авторами значения (г = 0,026) расчитанные значения кратности разбавления оказались заниженными в 3-5 раз. Если же принималось значение (г = 0,32), получалось хорошее совпадение.
Таким образом, в результате анализа можно сделать вывод, наиболее обоснованным является метод А.В. Караушева. Следует также отметить, что результаты расчетов по каждому из методов могут дать удовлетворительное совпадение с натурными данными, если входящие в них эмпирические коэффициенты уточнить путем проведения предварительных экспериментальных исследований на целевом водном объекте. При этом возникает задача обнаружения и оперативного реагирования на внезапно изменившиеся свойства водного объекта в ответ на неорганизованные загрязнения, изменения динамики природных процессов и прочих возмущениях, которые не являлись объектом мониторинга. Данная ситуация должна быть учтена при выборе периодичности контрольных замеров экологического состояния целевого водного объекта.
Разработка интерполяционного метода экологического мониторинга акватории водохранилищ
При решении задач экологического мониторинга водохранилищ важным моментом является разработка такого метода, который был бы устойчив к погрешностям лабораторного и приборного анализа наблюдаемых данных в условиях ограниченности неравномерно расположенных точек отбора проб воды. Если мониторируемые данные известны приближенно, то неустойчивость используемого метода приведет к отсутствию единственного решения в рамках заданной точности, что сильно затрудняет выяснение смысла полученного приближенного решения. М — число узлов аппроксимации, совпадающие с точками наблюдения концентрации искомого поля загрязнения. Как видно из (3.9), для любой ненаблюдаемой точки акватории водохранилища х Р[хі,..,х2], у П[уь..,у2], z D[zb..,z2] концентрация искомого поля C(x,y,z) С, изменение которого представимо в виде ряда (3.1) с коэффициентами am, можно представить в виде линейной комбинации наблюдаемых концентраций С(хЬ у;, Zj) П С В ТОЧКаХ Xj х, у; D у, Z; D z и весовых коэффициентов Wj(x,y,z). Причем, веса Wj(x,y,z), как видно из (3.7) не зависят от значений коэффициентов ат в каждый отдельно взятый момент времени. Отсюда следует возможность построения линейной интерполирующей схемы для восстановления ненаблюдаемых участков поля загрязнения С по конечному числу наблюдаемых фрагментов, представляющих проявление целевого поля в пределах рассматриваемого множества С. При этом, данные проявления в неявном виде отражают специфику внутренних закономерностей, происходящих в бассейне водохранилища, что при рациональном выборе числа и координат точек наблюдения будет являться достаточным для восстановления поля загрязнения С в ненаблюдаемых областях в пределах заданной погрешности идентификации последнего.
Как было показано выше малые погрешности (не говоря уже о грубых ошибках) в получаемой наблюдаемой информации могут привести к неправильной интерпретации ненаблюдаемой информации, подчиняющейся закону внутренних взаимосвязей в пределах изучаемого экологического процесса. Таким образом, метод адекватной интерпретации ненаблюдаемых данных должен быть устойчив в условиях неточной входной информации.
Использование гипотезы о помехах наблюдения в виде "белого шума" оправдано в силу высокой непредсказуемости дистабилизирующих факторов, действующих в процессе наблюдения, сбора мониторируемых данных, случайным влиянием условий транспортировки проб в лабораторию и погрешностями последующего лабораторного анализа или приборными ошибками автоматического анализа проб. В связи с этим наблюдаемые проявления целевого поля загрязнения можно рассматривать лишь как стохастические наблюдения, случайно искажаемые условиями наблюдения, которые имеют место как в местах отбора проб, так и между ними.
Поэтому статистические характеристики помех наблюдения наиболее оправдано экстраполируются на предельные результаты (оценка сверху) бесконечного повторения эксперимента в точке отбора пробы, что является необходимым условием, обеспечивающего справедливость закона больших чисел.
Структура автоматизированной системы экологического мониторинга акватории водохранилищ и алгоритм интерпретации наблюдаемого экологического состояния водного бассейна водоемов
Обобщая вышеприведенные теоретические выкладки и практические результаты проверки интерполяционного метода экологического мониторинга, можно предложить структуру автоматизированной системы мониторинга акватории водохранилища, реализующую непрерывный процесс сбора, обработки и идентификации результатов мониторинга акватории водохранилища по данным лабораторных или автоматических приборных анализов.
Автоматизированная система экологического мониторинга акватории водохранилищ, приведенная на рис.4.3, включает в себя стационарные посты наблюдения, работающие в периодическом режиме забора проб воды из точек рационального плана. Периодичность забора проб лимитируется временем, необходимым для полного химического анализа отобранной порции воды и передачей результата анализа по каналам связи в ЭКЦ. Возможен режим забора проб с меньшей периодичностью, лимитируемой объемом буфера аппаратных средств, в котором необработанная информация помещена в очередь обработки. Параллельно сбор данных мониторинга осуществляется средствами передвижной лаборатории как в точках оптимального плана, так и вне этих точек. Как правило, использование передвижных лабораторий показано при контрольных замерах загрязняющего поля вне точек рационального плана с целью коррекции итерпретирующей модели или при ожидании значительного изменения экологической ситуации (например, при аварийных сбросах, резкого изменения сезонных характеристик в районе целевого водохранилища и т.д.).
В процессе жизнедеятельности окружающих водоем объектов, производится плановый или внеплановый (а иногда и по причине чрезвычайных ситуаций - аварийный) сброс загрязняющих веществ в бассейн целевого водоема. Кроме того для промышленных и бытовых нужд периодически осуществляется забор воды из водохранилища. Параллельно или стихийно водная среда водоема возмущается поступлением загрязняющих веществ из атмосферных осадков (или, наоборот, разбавляется атмосферными осадками, не содержащими загрязнения).
Независимо от внешних и внутренних процессов, влияющих на экологию акватории целевого водохранилища, данные мониторинга поступают в ЭКЦ, где производится оценка поля загрязнения всей акватории водохранилища интерполяционным методом мониторинга. Результаты расчета поля загрязнения в реальном времени отображаются на мониторах ЭКЦ и в случае угрозы вненормативного изменения экологической ситуации в какой-либо зоне водохранилища оператору системы выдается предупреждение и прогноз развития ситуации на несколько циклов вперед.
Очевидно, что интерполирующая матрица в (3.45) может динамически меняться, например при резко внештатных ситуациях, что может потребовать ее переоценки с учетом новой внештатной экологической ситуации. В этой связи необходимо использовать алгоритм слежения и оценки поля загрязнения, представленный на рис.4.4.
В работе рассмотрена гидродинамика водной среды и схемы распространения загрязняющих веществ в водохрнилищах, а также особенности процессов, протекающих в водном объекте. Рассмотрена камерная модель водохранилища. Согласно этой модели, водохранилище мысленно разбивается на ряд смежных камер малого объема, каждая из которых представляет собой «идеальный смеситель», т.е. все параметры и концентрации веществ в пределах одной камеры считаются постоянными величинами.
Предложен принципа самообучения программных средств на предис-тории входных данных с целью выявления внутренних закономерностей, имеющих место при протекании гидрохимических процессов в водном объекте произвольной геометрической топологии, в условиях различных метеорологических характеристик окружающей среды, сезонных показателей среды мониторирования и географических особенностей расположения целевого водного объекта. Принцип самообучения, разработанный в данной работе позволит выявлять скрытые закономерности физических и гидрохимических процессов, протекающих в среде водного объекта.
Разработанный метод мониторинга акватории водохранилищ аппро-бирован на примере Шатского водохранилища г.Новомосковска Тульской области. Результаты более чем 3-х летнего испытания данного метода для данного объекта подтвердили достоверность мониторинга акватории Шатского водохранилища, реализованном в программном пакете «Вода», со средней ошибкой неадекватности за 3-х летний период менее 7,5%. Последующая программная коррекция метода с учетом внепланвых замеров при вненормативных сбросах загрязняющих веществ обеспечивала точность мониторинга не хуже 8,5% даже в случае экологической нагрузки на целевой водный объект относительно средней его предистории более чем в 34,8%.
Основные идеи и результаты теоретических, экспериментальных исследований реализованы в программных пакетах «Вода» и «Атмосфера», используемые в Новомосковском комитете по охране природы, в учебном процессе НИ РХТУ и предложены на реализацию в организациях мониторинга водного хозяйства РФ.
