Содержание к диссертации
Введение
1. Концепция экологического мониторинга речных систем: цели и задачи, структура и информационные средства 19
1.1. Современное состояние вопроса 21
1.2. Структура информационной базы экологического мониторинга 26
2. Модели оценки стока химических веществ с различных ландшафтных элементов водосборного бассейна 32
2.1. Эмпирические методы расчета 37
2.1.1. Методы постоянных концентраций и единичных нагрузок37
2.1.2. Метод покрытия 39
2.1.3. Регрессионные методы 40
2.1.4. Метод решения обратных задач 43
2.1.5. Метод нагрузочных функций 44
2.1.6. Метод Хрисанова 48
2.1.7. Статистический метод 50
2.1.8. Метод "накопление-смыв" (buildup & washoff) 52
2.2. Имитационные модели 56
2.2.1. Гидрологическая модель Гидрологической лаборатории Министерства сельского хозяйства США USDAHL и модель выноса эрозионного материала USLE (или ее модификация) 56
2.2.2. Стэнфордская гидрологическая модель со сложным эрозионным блоком (на основе уравнения Негева) 58
2.2.3. Гидрологическая модель SCSCN, улучшенная инфильтрационной подмоделью и эрозионная подмодель, развитая из USLE 63
2.3. Выбор метода оценки стока химических веществ. пример форматки модели 68
3. Информационно-моделирующая система мониторинга загрязнений речного бассейна 73
3.1. Информационный блок системы 75
3.1.1. Структура баз данных 75
3.1.2. Ведение базы данных 77
3.2. Блок прогноза качества воды в реке по двадцати видам приоритетных загрязнителей 81
3.2.1. Описание моделей самоочищения реки 82
3.2.2. Калибровка моделей самоочищения реки 90
3.2.3. Подготовка входной информации по загрязнениям для численного моделирования 91
3.2.4. Интерполяция таблично заданных функций 100
3.2.5. Численный алгоритм решения уравнений модели 102
3.2.6. Графические иллюстрации 108
3.3. Прогноз качества воды в проектируемом водохранилище на основе модели рк-бпк 112
4. Модели мониторинга состояния пресноводных экосистем 123
4.1. Описание новосибирского водохранилища, использованного для калибровки моделей водных экосистем 125
4.2. Описание модели "биоген" экосистемы водоема 127
4.3. Подготовка исходной информации. Упрощающие предположения и калибровка модели "биоген" 138
4.4. Анализ потоков вещества в экосистеме новосибирского водохранилища 144
4.5. Оценка изменения качества воды в новосибирском водохранилище под влиянием изменения его режима в зимнюю межень 149
4.6. Численное моделирование состояния экосистемы проектируемого усть-среднеканского водохранилища на основе модели "биоген"
4.6.1. О применении модели для проектируемого объекта 152
4.6.2. Подготовка исходной информации для прогнозных расчетов состояния экосистемы проектируемого водохранилища 160
4.6.3. Результаты прогнозных расчетов для Усть-Среднеканского водохранилища 166
4.7. Прогноз евтрофирования нижнего бьефа проектируемого верхне-урюпского гидроузла 173
4.7.1. О модельной оценке влияния водохранилища-охладителя на экологическое состояние его нижнего бьефа 173
4.7.2. Модели евтрофирования водных объектов Верхне-Урюпского гидроула 175
4.7.3. Численное моделирование евтрофирования 184
4.8. Прогноз качества воды в проектируемом крапивинском водохранилище 191
4.8.1. Особенности Крапивинского проекта и использованной модели 191
4.8.2. Численное моделирование экологических процессов в Крапивинском водохранилище 212
5. Модель оптимизации водоохранной деятельности предприятия 221
5.1. Формулировка модели 222
5.2. Используемая исходная информация для конкретного предприятия 228
5.3. Результаты численной оптимизации водоохранной деятельности предприятия 233
5.4. Руководство пользователя 237
5.5. Место данной модели в разрабатываемой автоматизированной информационной системе 242
6. Управление качеством вод речного бассейна 244
6.1. Различные типы предприятий-водопользователей 247
6.2. Процедуры административного участия в механизме управления качеством воды
6.2.1. Неплатежеспособные предприятия 253
6.2.2. "Долгосрочные" и "приоритетные" водоохранные мероприятия 2 6.3. Экономические нормативы — параметры управления бассейновой модели 257
6.4. Схема регионального управления сбросами предприятий259
Заключение 266
Литература 269
- Метод нагрузочных функций
- Стэнфордская гидрологическая модель со сложным эрозионным блоком (на основе уравнения Негева)
- Подготовка входной информации по загрязнениям для численного моделирования
- Подготовка исходной информации. Упрощающие предположения и калибровка модели "биоген"
Введение к работе
Актуальность темы исследований. Сегодняшний день отличается ростом антропогенного воздействия на природу, окружающие и включающие человека экосистемы, атмосферу, поверхностные воды и т.д. Возникает целый ряд экологических и социально-экономических проблем, а в связи с этим - необходимость всестороннего vi точного учета изменений качества воды, использования этих данных в целях рационального природопользования, информирования населения о водных проблемах, создания основ сотрудничества всех конструктивных сил и движений в данной области. Надежные данные экологического мониторинга - необходимая база для управления качеством воды в регионе. Все большее распространение в водном хозяйстве развитых стран приобретают информационные системы поддержки управленческих решений в области водопользования.
В данной работе на примере комплекса оригинальных моделей и информационных систем изложена технология создания подобных средств мониторинга и управления качеством вод в этой актуальной и перспективной области системного анализа, развивающейся на стыке естественнонаучных, социально-экономических дисциплин и наук о Земле. Применение подобных средств на практике позволяет оптимальным образом осуществлять использование водных ресурсов региона. Специалист, владеющий данными методами, способен разрабатывать детальный текущий и долгосрочный прогноз экологического состояния водных объектов в зависимости от конкретных вариантов складывающихся природных условий и аіггропогенного воздействия.
Цель работы: разработка эффективных математических моделей и информационных средств, позволяющих перевести систему мониторинга и управлетш качеством вод речного бассейна на современный информационный уровень, исходя из реальных возможностей органов конгроля в области природопользования и действующей нормативной базы.
Работа над диссертацией проводилась в соответствии с планами научных подразделений Алтайского государственного технического университета,;) именно:
г/б темой 12-49 "Создаїие региональной системы мониторинга водохозяйственного и экологического состояния бассейнов рек" Республиканской научно-технической программы (РНТП) "Информатизация России'; ; ' ' '
х/д темой "Создание автоматизиров энной информационной системы "Эко-прогноз": для поддержки управленческих решений в
области природопользования на территории Алтайского края", выполнявшейся по заказу Алтайского краевого комитета по экологии и природным ресурсам;
проектом "Создание информационных систем для управления
качеством природной среды на территории Алтайского края",
включенным в РНТП "Алтай" по разделу 9 "Применение информа
ционных технологий" и т.д.
Диссертант А. А. Цхай является научным руководителем перечисленных научных тем.
Основными защищаемыми результатами диссертационной работы являются
реализованный единый комплексный подход к оценке, прогнозированию и управлению качеством поверхностных вод речного бассейна путем применения современных методов математического моделирования и средств информатики в соответствии с сегодняшними правовьм и экономическим механизмами использования природных ресурсов в России;
схема регионального управления качеством вод речного бассейна, созданная на основе действующей нормативной базы, с учетом реальных возможностей органов контроля в области водопользования и водоохраны;
разработанные
имитационные модели состояния водных экосистем ряда природных объектов;
модель качества вод речной системы по основным видам загрязнений;
- оптимизационная модель водоохранной деятельности
предприятия-водопользователя в современных условиях;
полученная при моделировании информация
о качестве вод бассейна Верхней Оби на территории Алтайского края под влиянием антропогенного загрязнения;
об оценке сегодняшней эколого-экономической ситуации в водохозяйственном комплексе региона на примере Алтая;
о процессах биохимической трансформации соединений азота и фосфора, а также формирования кислородного режима в экосистемах семи водохранилищ Сибири и Дальнего Востока;
о роли основных источников поступления загрязнений и влиянии жизнедеятельности гидробионтов в круговороте и балансах биогенных веществ в водоеме на примере Новосибирского водохранилища.
Научная новизна результатов исследований автора в области методологии: методология исследования природно-те-хнических комплексов развита путем учета взаимосвязи измене-
ний экологических, экономических и технологических факторов;
в методической обпасти: для оценки, прогнозирования и управления качеством вод речного бассейна на основе нормативной базы переходкого экономического периода применены методы математического моделирования и информатики с использованием в качестве исходных данных стандартной информации государственных служб России;
в области математического моделирования: создан и использован на практике комплекс оригинальных имитационных и оптимизационных математических моделей, позволяющих, в частности, оценить экологические последствия реализации управленческих решений;
в области технологий: предложена информационная технология мониторинга и регионального управления качеством вод речного бассейна, реализованная на примере бассейна Верхней Оби на территории Алтайского края.
Методы исследования, использованные в диссертации, базируются на научном потенциале разработок российских и зарубежных ученых (А.Б.Авакяна, Г.Бехрендта, М.Бохме, В.А.Вавилина , О.Ф.Васильева, Г.В.Винберга, Г.В.Воропаева, И.Б.Гордина, А.Б. Горстко, К.Г.Гофмана, В.И.Гурмана, У.Доббинса, Ю.А. Домбров-ского, С.Йоргенсена, В.И.Лаврика, Д.Лаукса, А.В.Леонова, М.П. Максимовой, В.В.Меншуткина, И.Б.Мизандронцева, Г.М. Мкртчяна, А.М.Никанорова, Дж.Орлоба, В.Г.Пряжинской, А.Д. Рикуна, Дж.Стединжера, Г.Стритера, Г.А.Сухорукова, М.Н.Тарасова, Е.Фелпса, Д.Хейта, Б.Хендерсона-Селлерса, И.Л.Храновина, М.Г.Хубларяна, Т.С.Чайковской, А.М.Черняева, Й.Шнура, Д.М. Ярошевского и др.) в исследовании проблем качества вод и использования природных ресурсов, по экологическому и экономико-математическому моделированию.
В работе используются метод имитационного моделирования на основе балансового подхода; методы оптимизации, в т.ч. производственных функций; аппарат дифференциальных и алгебраических уравнений с применением традиционных способов их решений и т.д. Предложенные диссертантом математические модели, структуры баз данных и алгоритмы фунюдиоїшрования информационно-моделирующих средств были программно реализованы соавторами работ на языке программирования Pascal в среде MS DOS.
Результаты, полученные в диссертационной работе, по мнению автора, достоверны и достаточно обоснованы:
Все оригинальные модели состояния водных экосистем и качества воды прошли верификацию по данным наблюдений ряда
лет на исследуемых водных объектах, а в случае прогнозирования свойств проектируемых водохранилищ мидели тщательно проверялись на данных водоемов-аналогов.
Полученные количественные результаты уточняют качественные прогнозы экспертов, а в раде случаев имитационные модели являются единственной возможностью предсказания экологического состояния водного объекта под воздействием антропогенной нагрузки.
Правильность выведенных уравнений, использования стандартных численных алгоритмов сомнений не вызывает, т.к. в работе последовательно применялись принципы типа законов сохранения, а верность полученных решений соответствующих краевых задач постоянно проверялась на тестовых задачах, в том числе для предельных случаев.
Практическая ценность полученных результатов заключается в том, что они являются теоретической :и методической основой решения важной народнохозяйственной :іадачи прогнозирования состояния водных экосистем и управления качеством вод речного бассейна, и отражена в актах об использовании разработок А.А.Цхая в исследовании; бассейна Верхней Оби на территории Алтайского края; состояния экосистем Новосибирского, Колымского, Крапивинского, Усть-Среднеканского, Катунского, Верх-не-Урюпского и других водохранилищ (см. Приложите к диссертации).
Внедрение результатов работы осуществлялось в Алтайском филиале при АГТУ РосНИИ информационных технологий и систем автоматизированного проектирования Миннауки и технической политики РФ, Институте водных и экологических проблем СО РАН, Алтайском краевом комитете экологии и природных ресурсов и т.д. в соответствии с заданиями госбюджетных и договорных программ и показало эффективность и надежность разработок на практике.
Апробация работы. Научные результаты А. А. Цхая доложены им на семинарах Алтайского государственного технического университета, Вычислительного центра СО РАН, Института водных и экологических проблем СО РАН, А.гггайского государственного университета, школах-семинарах Института водных проблем РАН, НИИ прикладной математики и механики Ростовского государственного университета и т.д.
Основные результаты диссертации докладывались им также на Международной школе "Применение компьютера в гидротехнике и охрана окружающей среды" (Болгария, Варна, 1990), Всесоюзном совещашш "Гидроэкология-90" (Ленинград, 1990), 29-ой
-S-
Международной конференции по экологическим проблемам реки Дунай (Киев, 1991), Первой Всесибирской конференции по математическим проблемам в экологии (Новосибирск, 1992), 3-ем Международном симпозігуме "Современные проблемы реологии, биореологии и биомеханики (Москва, 1992), Всесоюзной школе-семинаре "Моделирование гидроледотермических и гидрохимических процессов в реках, озерах и водохраішлищах" (Новосибирск, 1992), Международном симпозиуме по гидрологическим, гидрохимическим и гидробиологическим проблемам трансформации и транспорта загрязнений в водных экосистемах" (Ростов-на-Дону, 1993), 2-ой Всероссийской научной конференции "Эколого-экономические проблемы безопасной жизнедеятельности" (Новосибирск, 1993), 2-ой Всероссийской конференции по математическим проблемам экологии (Новосибирск, 1994), Международном конгрессе "Вода: экология и технология" (Москва, 1994), Международном совещании в рамках научной программы НАТО "Восстановление нарушенной окружающей среды в речных бассейнах" и Международной конференции 'ТИС и дистанционные методы в исследованиях качества воды в промышленных регионах" (Верхняя Волга, 1994), Международной конференции по управлению водными ресурсами "Жизнь с водой" (Нидерланды, Амстердам, 1994), Международном симпозиуме "Природные и социально-экономические последствия разработки и управления водными ресурсами" (Москва, 1995), Республиканской научно-практической конференции "Региональные проблемы информатизации" (Барнаул, 1995), Всероссийском совещании "Водные проблемы и пути их решения в современных условиях" (Звенигород, 1995), Международном симпозиуме по управлению водными ресурсами на урбанизированных территориях" (Швеция, Лунд, 1995) и др.
По теме диссертации опубликовано 23 работы, в том числе монография (10 п.л., вышедшая в издательстве, включенном в соответствующий перечень, где по условиям ВАК могут быть опубликованы основные результаты докторской диссертации). Текст диссертации состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованной литературы (151 наименование) и приложения, состоящего из 5 актов о использовании результатов. Работа изложена на 268 стр., включает 23 рисунка и 7 таблиц.
Значение работы. По мнению автора, в представленной диссертации для проблемы мониторинга и управления качеством вод речного бассейна изложены научно-обоснованные эколого-эконо-мические и информационно-технологические решения, внедрение которых вносит значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса в данной области.
Метод нагрузочных функций
Как следует из названия, в первом из методов предполагается, что весь сток имеет одни и те же постоянные концентрации данного поллютанта. В простейшем случае считается, что годовой объем гидрохимического стока характеризуется концентрациями, рассчитанными исходя из годовой нагрузки. Этот подход обычно связан с использованием гидрологической модели, причем нагрузка (произведение концентрации на величину водного стока) меняется, в соответствии с вариацией гидрографа.
Для примера, весьма детальный SWMM Extran Block может быть использован для гидравлического анализа сточных систем без воспроизведения динамики качества вод.
Хорошо известное в США семейство методов и моделей SWMM (Storm Water Management Model) разрабатывается в университете штата Флорида (очередная версия выходит приблизительно ежегодно). В версиях SWMM используется широкий спектр расчетных способов оценки стока органических и биогенных соединений: от простейшего, изложенного в данном пункте, до концептуальных подходов, основные разновидности которых рассматриваются далее во второй части обзора (Metcalf & Eddy, 1971; Storm ..., 1981; Roesner et al, 1988).
Во многих случаях самое главное: верно оценить объем и продолжительность паводка или отвода вод для того, чтобы определить порядок величины нагрузки. В связи с этим возникает очевидный вопрос о используемой величине концентрации. В исследованиях EPA NURP (Results ..., 1983) представлена обширная база данных. Иной подход заключается в использовании средних значений для данной местности. Исследование NURP характеризует вариацию EMC — средних концентраций событий, т.е. отношения общей нагрузки с ливнем к общему объему стока ливня — для конкретной площади в городе или регионе.
На основе этого же подхода в Гидрохимическом институте предложена методика расчета выноса органических, биогенных веществ и пестицидов (Методика ..., 1983), а также стока в реках микроэлементов (Коновалов и Коренева, 1983). Эта методика была апробирована авторами при обработке результатов натурных наблюдений на двенадцати реках СССР.
Метод единичных нагрузок исходит из возможно даже более простых предположений. Речь идет об использовании в расчетах значений удельных потоков вещества с размерностью вида M/(L 2). Годовая нагрузка определяется умножением их на соответствующую площадь. Такие "единичные" нагрузки, оче 39 видно, весьма специфичны и зависят от демографических и гидрологических факторов. Они должны быть основаны на средних или "типичных" объемах стока и не могут меняться год от года, но их удобно использовать как характеристику снижения загрязнения при выборе наилучшей стратегии управления природопользованием. Ранние библиографические указатели EPA содержат информацию для различных территорий (Areawide ..., 1976). Интенсивность нагрузок весьма различается и их трудно использовать для других участков.
Компьютерное программное обеспечение, как Lotus, Quattro, Excel, повсеместно используется в инженерной практике. Моделирование качества воды — не исключение. Этот метод представляет собой автоматизированную и расширенную модификацию метода постоянных концентраций. В приложениях часто объем водного стока вычисляется упрощенно, обычно с использованием коэффициентов стока и уровня осадков. Коэффициенты стока варьируются в зависимости от местности. Прогнозируемая нагрузка получается умножением постоянных концентраций на объем стока для каждого из районов рассматриваемой области.
Преимущество метода — в том, что с использованием автоматизированных средств может быть легко обработана информация о местности с различными ландшафтными условиями. Предельные нагрузка и концентрации оцениваются из изучения характеристик местности. Исследуемая местность может быть как водосборным бассейном, так и урбанизированной территорией. Относительные вклады различных ландшафтных элементов территорий легко идентифицируются. При демонстрации результатов используются удобные графические средства. С тех пор, как инженеры освоили этот метод, такой подход применяется не выходя из лаборатории без организации специальных полевых исследований.
Подход наилучшим образом применим для оценки продолжительной нагрузки, такой как годовой или сезонной. Столь простой прогнозный метод более приемлем на длительный период усреднения. В случае одиночного ливня его применение затруднительно. Трудно получить вариацию прогнозируемых нагрузки и концентраций, потому что здесь используется зависимость только от входных концентраций или характеристик осадков. Метод Монте-Карло применим, если число таких параметров не слишком большое. Эти результаты могут быть использованы для оценки пределов и (или) частоты распределения прогнозируемых нагрузок и концентраций.
Стэнфордская гидрологическая модель со сложным эрозионным блоком (на основе уравнения Негева)
Предполагается справедливой зависимость типа Аррениуса для коэффициентов реакции первого порядка Kj такая же, как во второй формуле (3.8).
Одной из самых серьезных проблем при использовании математических моделей в задачах прогнозирования является определение параметров или идентификация. Ввиду того, что исследуемый объект — Богучанское водохранилище — не существует в природе, нельзя говорить о процедуре идентификации в полном смысле этого слова. Поэтому для определения констант модели приходится пользоваться характеристиками водоемов-аналогов. В качестве водоема-аналога далее рассматривается Усть-Илимское водохранилище, сходное с проектируемым Богучанским по физико-географическим условиям, расположенное в той же природной зоне, имеющее близкие по величине значения характерных параметров.
Для идентификации модели РК-БПК использовалось аналитическое решение системы уравнений (3.26) в стационарном случае с постоянными коэфици-ентами. Значения искомых параметров Kqj, G, J оценивались применением метода Маквардта — градиентного метода наименьших квадратов (Бокс и Джен-кинс, 1974).
В качестве критерия близости расчетных и натурных данных распределения концентраций РК и БПК использовался критерий Тейла (3.12). В расчетах использовались данные наблюдений на Моргудольском, Ершовском и Воробьев-ском участках Усть-Илимского водохранилища (см. Водные ..., 1983).
В результате оптимизационных расчетов были получены следующие значения параметров модели: K01=0,0024 cут–1; K02=0,1062 сут–1; K03=0,0064 сут– 1; G/w0=0,008 мг/лсут; JB0/w0=0,157 мг/лсут; где w0 и B0 — средние площадь сечения и ширина свободной поверхности на участке водохранилища, выбранном для идентификации.
Соответствующие значения критерия Тейла — 0,13 и 0,22, что характеризует достаточную для экологических моделей точность оценки (см., например, Леонов, 1986).
Обращает на себя внимание довольно низкое значение коэффициента К01, характеризующего процесс биохимического распада БПК, что, возможно, связано с общим высоким уровнем загрязнения вод Усть-Илимского водохранилища. Очищение воды от органики происходит в большей степени благодаря процессам физического удаления БПК (седиментация, адсорбция). Значение коэффициента K02, характеризует достаточно высокий уровень аэрации водохранилища в исследуемый период. Величина путевой нагрузки (параметр G) на участке, выбранном для идентификации, — на уровне природной, фоновой в отсутствие мощных источников сбросов или хозяйственно-бытовых стоков. Ба 117 ланс потоков кислорода — величина J — свидетельствует об активности процессов потребления кислорода донными отложениями в силу благоприятных условий для жизнедеятельности придонной биоты. В целом, можно сделать вывод о значительной роли придонных процессов в самоочищении вод Усть-Илимского водохранилища.
Перед разработчиками модели был поставлен вопрос о сравнении характеристик качества воды для двух проектных вариантов эксплуатации Богучанско-го гидроузла. Первый из них соответствовал графику эксплуатации с НПУ, равным 208 м БС, второй же — с НПУ, равным 173 м БС. Для ответа на поставленные предварительные вопросы было достаточно использовать простейшее нульмерное модельное приближение. Начальные условия для системы (3.26) были найдены из предположения о замыкании годовых циклов при проведении расчетов для ряда лет с одинаковым внешним воздействием на экосистему водохранилища
Содержание РК и БПК в основном притоке водохранилища — р.Ангаре — было выбрано по данным пункта Госкомгидромета наблюдений за качеством воды в 1986 году в створе "р.Ангара — г.Усть-Илимск, 10 км ниже сбросов УИЛПК" с тем, чтобы основной сосредоточенный источник загрязнений — сбросы г.Усть-Илимска и Усть-Илимского лесопромышленного комплекса — учесть с притоком в проектируемое Богучанское водохранилище.
Ввиду отсутствия гидрохимических данных для р.Ангары в районе с.Кежма — зоне выклинивания подпора водохранилища при НПУ 173 м БС, концентра 118 ции РК и БПК в притоке для второго проектного варианта рассчитывались по модели (3.26) в квазистационарном приближении. При этом использовались следующие величины: расстояние между створом "р.Ангара — г.Усть-Илимск, 10 км ниже сбросов УИЛПК" и створом "с.Кежма" — 169 км, средняя скорость течения Ангары в естественном состоянии между этими створами нижнего бьефа Усть-Илимской ГЭС — 1 м/c.
Среднемесячные расходы стока Богучанского водохранилища выбирались такими, чтобы соблюдался проектный режим изменения отметки уровня водохранилища. При первом варианте НПУ 208 м БС предполагается поддерживать с августа по январь. Сработка — с февраля по апрель — на 1 м, а наполнение до НПУ — с мая по июль. При втором варианте — отметка НПУ 173 м БС и объем водохранилища 8 км3 в течение года не меняются, поэтому среднемесячные расходы стока и притока водохранилища принимаются одинаковыми.
Ввиду отсутствия проектных данных о среднемесячных температурах в водохранилище при варианте с НПУ 173 м БС для него были рассчитаны два предельных случая вариации температурных условий. В первом из них считалось, что трансформация РК и БПК происходит при тех же температурах, что и при режиме эксплуатации водохранилища с НПУ 208 м БС. Во втором случае считалось, что температура воды в водохранилище при режиме эксплуатации с НПУ 173 м БС изменяется также как и в реке, незарегулированной Богучанским гидроузлом. В действительности же температура водной массы будет изменяться между соответствующими температурами предельных случаев, как и объем водохранилища — между объемом реки на рассматриваемом участке и объемом водохранилища с НПУ 208 м БС. Как видно из результатов модельных расчетов для условий 1986 года (рис. 3.5-3.6) выбор того или иного сценария термических условий существенно не меняет характера трансформации РК и БПК в Богучанском водохранилище. Это можно объяснить невысокой интенсивностью микробиологических процессов в водных экосистемах рассматриваемого речного бассейна. Основную роль в самоочищении здесь играют процессы физического удаления загрязнений.
Подготовка входной информации по загрязнениям для численного моделирования
Далее приводится пример практического приложения разработанной модели. В свое время разработчикам модели было поручено оценить влияние сработки Новосибирского водохранилища до уровня мертвого объема (УМО), а также на 1, 2 и 3 м ниже УМО на его водную экосистему в меженный период, до наступления паводка, заполняющего водохранилище до нормального подпорного уровня.
В результате увеличения расхода попуска через ОбГЭС в зимнюю межень изменятся условия функционирования экосистемы Новосибирского водохранилища. Встает вопрос: как это повлияет на качество воды, сбрасываемой в нижний бьеф? Для расчета водного баланса использовалось следующее уравнение: — = Q- — = Q+-Q_, (4.5) dt dt 150 где Q- и H(t) — ход отметки уровня водохранилища в верхнем бьефе, — из ежесуточных наблюдений постов Госкомгидромета за 1981-82 гидрологический год (рис. 4.3); Q — определялась по данным морфометрии Новосибирского водохранилища. По уравнению (4.5) определены текущие величины расхода поверхностного притока Q+=Q+(t). Далее выбирались следующие варианты регулирования стока. В реальном варианте отметка уровня опускалась на 1 м 87 см ниже УМО. Варианты 1-3 совпадают с реальным вариантом до декабря, а далее путем расчетов подбиралось постоянное в течении периода до наступления паводка значение расхода попуска так, чтобы отметка уровня водохранилища опустилась, соответственно, до УМО в варианте 1, до УМО минус 1 м в варианте 2 и на 3 м ниже УМО в варианте 3 (см. рис. 4.3).
После достижения минимальной отметки уровня постоянный расход попуска поддерживался до момента пересечения его на рис. 4.3 с графиком реального попуска весной 1982 года, после чего его величина изменялась так, как в реальных условиях моделируемого периода.
Другими словами, по сравнению с реальной ситуацией мы придержали попуск таким образом, чтобы уровень воды в верхнем бьефе понизился не на 1 м 87 см ниже УМО, как было на самом деле, а лишь достиг УМО в первом варианте и (УМО минус 1 м) — во втором.
Расход попуска в паводок оставался в расчетах реальным, т.к. после достижения НПУ=113,5 м БС дальнейшая гидрологическая ситуация не интересовала нас с точки зрения ответа на поставленный в задании вопрос. Поэтому на рис. 4.3 ход отметки уровня в расчетных первом и втором вариантах после достижения НПУ отражает чисто гипотетическую ситуацию: что было бы, если бы в этих вариантах расход попуска выдерживался таким, каким был реальный, весной 1981 года, при условии достаточной высоты плотины. А для ответа на вопрос задания достаточно ограничиться анализом последствий вариации расхода попуска до момента достижения НПУ.
Результаты расчетов по модели экосистемы Новосибирского водохранилища, проведенных для ответа на поставленный вопрос, представлены на рис. 4.4-4.5. На основании проведенных модельных расчетов можно сделать следующие выводы: 1) Определяющим фактором динамики концентрации вещества в Новосибирском водохранилище при изменении зимнего меженного стока является процесс разбавления. 2) Предложенные варианты понижения уровня сработки Новосибирского водохранилища в зимнюю межень на 1-3 м ниже УМО приведут к изменению средних по объему концентраций веществ, динамика содержания которых мо 152 делировалась, во второй значащей цифре, т.е. влияние этого фактора незначительно. Численное моделирование состояния экосистемы проектируемого Усть-Среднеканского водохранилища на основе модели "Биоген" 4.6.1. О применении модели для проектируемого объекта
При создании водохранилища в реке существенным образом меняется гидрологический режим, и, как следствие, изменяются условия функционирования водной экосистемы, а значит гидрохимические и гидробиологические показатели.
Одним из важнейших требований на этапе принятия решения о зарегулировании реки является наличие обоснованного конкретного прогноза состояния экосистемы в проектируемом водохранилище.
Особое значение при этом имеет проработка вопросов о будущем характере изменчивости кислородного режима и легкоокисляемой органики, уровне ев-трофирования и особенностях круговорота соединений азота и фосфора, что регламентируется требованиями к качеству воды в водоемах и водотоках.
Далее, на основе применения вышеизложенной модели "Биоген" выполнен прогноз о состоянии экосистемы в проектируемом в Магаданской области на реке Колыме Усть-Среднеканском водохранилище после периода становления.
Подготовка исходной информации. Упрощающие предположения и калибровка модели "биоген"
Повышенная плата начинает взиматься из прибыли абонента и образовывать прибыль предприятия ВКХ в следующих случаях: а) при превышении лимита V c тарифом 3-U за каждый кубометр сверхли митного сброса сточных вод; б) при превышении допустимой концентрации Yi по одному загрязнителю с тарифом 2-U, по двум загрязнителям с тарифом 3-U, по трем — с 4-U и т.д., не более, чем 10-U за каждый кубометр сбрасываемых сточных вод; в) при сбросе веществ, не удаляемых на данных очистных сооружениях, а также за залповый сброс любого вида загрязнений с тарифом 10-U за каждый кубометр сточных вод. Повышенная плата начисляется отдельно по каждому виду нарушений (а)-(в). Ключевой вопрос при составлении договора между предприятием — абонентом и предприятием ВКХ: о лимите сброса сточных вод V, о перечне ингредиентов, удаляемых при очистке, и о величине допустимых концентраций Yi в принимаемых стоках, о базовом тарифе U — решается на основании "Правил приема производственных сточных вод в системы канализации населенных пунктов", исходя из местных условий и реального состояния конкретных очистных сооружений.
Само же предприятие ВКХ, отводящее собственные стоки в природные воды, осуществляет платежи за загрязнение в РЭФ в соответствии с постановлением правительства №632.
Соотношение ставок платежей Qi, Ki и тарифа U с каждым годом меняется. Как предприятию остаться в выигрыше при разных принципах оплаты за отведение сточных вод в коммунальный коллектор и природные воды — предмет специальной задачи. Но, что такая ситуация не способствует улучшению качества воды в речном бассейне — это можно сказать определенно.
Предприятия ВКХ, не имея плана реального поступления загрязнений с предприятий, испытывая постоянный командный пресс органов управления, объективно заинтересованы не в реконструкции очистных сооружений — работе на перспективу, а как любой монополист, во "вздымании" платы за услуги. Тем более, что предприятия ВКХ в данной ситуации все равно фактически не имеют возможности загодя планировать освоение средств на реконструкцию, поскольку сама эта сумма — заранее неизвестна.
Получается замкнутый круг, когда вроде бы ничего не остается "Водоканалу" как, "залатав дыры", просто "растратить" полученные с абонентов деньги. Очевидно, что данная ситуация требует изменения нормативной базы, регламентирующей экономическое поведение всех перечисленных участников.
Думается, что можно было бы уже на региональном уровне согласовать различные экономические интересы хозяйствующих субъектов, действующих пока по различным экономическим правилам. Нужна основательная проработка данного вопроса и создание механизма, по которому каждый из участников: промышленные предприятия, предприятия ВКХ, природоохранные органы, действуя каждый из собственных интересов, в целом бы работали на конечный результат: уменьшение загрязнения реки.
Одним из вариантов изменения действующего порядка мог бы стать следующий. Было бы разумным распространить действие постановления №632 на порядок взаиморасчетов абонентов с предприятиями ВКХ. При этом платежи абонентов за сверхнормативное загрязнение вместе с безусловной поддержкой долгосрочных мероприятий по реконструкции коммунальных очистных сооружений из РЭФ могли бы стать финансовой основой для технического перевооружения ВКХ. Этот шаг должен сопровождаться установлением согласованной связи между ставками платежей за загрязнение, тарифами на прием сточных вод и прочими экономическими нормативами.
В АИС "Гидроменеджер" этот блок пока представлен без детализации взаиморасчетов промышленных абонентов с предприятиями ВКХ. Последние платят за сброс стоков в реку, как и все прочие водопользователи, в соответствии с постановлением №632. Информация о химических стоках в реку и предложенных мероприятиях по их сокращению поступает в природоохранные органы от всех предприятий, включая ВКХ. В использованной входной информации для моделирования абонентская плата за услуги ВКХ учтена при расчетах себестоимости продукции S(0) и остатка выручки после уплаты налогов.
Нельзя не отметить еще один вид загрязнения природных вод предприятиями. Оценка гидрохимического стока и смыва загрязнений с различных ландшафтных элементов речного бассейна (см., например, Цхай, 1995) с осуществлением целенаправленных мероприятий, ограничивающих рассредоточенное попадание загрязнений в природные воды, — важная экологическая проблема. В первом приближении антропогенным неточечным источником загрязнений может считаться использование удобрений на водосборе сельскохозяйственным предприятием. При этом соответствующим параметром в АИС "Гидроменеджер" будет рассчитываемая концентрация загрязнений Сib в боковой приточно-сти реки.
