Реферат Курсовая Конспект
Лекция 6Математические модели оценки и прогнозирования качества вод - Лекция, раздел Образование, Лекция 1 Цели и задачи водохозяйственного проектирования 1.Введение в водохозяйственное планирование к проектирование Вопросы: Методические Аспекты Моделирования Качества Вод. Двумерная ...
|
Вопросы:
Методические аспекты моделирования качества вод. Двумерная модель переноса растворённой примеси и тепла в не-: боких водоёмах.
Модели прогнозирования экологического состояния водных объектов.
1. Методические аспекты моделирования качества вод
Загрязнение природных вод в локальном и региональном масштабах, вызванное как точечными, так и рассредоточенными источниками, отмечается повсеместно. К числу самых серьезных проблем качества природных вод относятся высокий уровень БПК, низкое содержание растворенного кислорода, бактериологическое загрязнение, значительные концентрации аммиака и нитратов, ставящие под угрозу использование водных ресурсов для питьевого водоснабжения. Во многих водных объектах высок также и уровень содержания фосфора, что в совокупности с различными формами азота приводит к гипертрофированно неблагополучному состоянию озер, водохранилищ и медленно текущих рек. Практически во всех промышленных областях наблюдается токсичное загрязнение вод металлами. Зарегулированные реки активно аккумулируют загрязненные осаждения. Уровень очистки сточных вод, поступающих от сосредоточенных (точечных) источников, недостаточно высок.
Серьезные усилия по борьбе с загрязнением водных объектов были предприняты в начале 70-х годов. За два десятилетия практически завершен процесс приведения в порядок большинства точечных источников загрязнения, и сегодня все большее внимание уделяется источникам, «поставляющим» нетрадиционные токсичные и канцерогенные вещества, а также диффузным пространственно распределенным сбросам.
Теоретические обоснования и практические подходы к решению задач управления качеством природных вод достаточно детально описаны в научной литературе. Математические модели позволяют спланировать стратегию управления качеством вод в источнике и оценить последствия ее реализации. Разработка моделей стимулирует организацию натурных экспериментов для определения необходимых параметров, сбор и систематизацию соответствующих исходных данных.
Ключевыми задачами становятся обоснование приоритетных показателей качества воды и определение основных целей водоохранной деятельности. Управление качеством вод осложняется тем, что загрязнение водных объектов на 60-80% обусловлено действием практически неуправляемых неточечных источников. Нерегулируемое размещение на площади водосбора, зависимость от морфометрических характеристик территории, сезонность поступления загрязняющих веществ (ЗВ) и т.д. затрудняют учет воздействия этих источников на качество вод.
В отличие от неточечных источников сбросы загрязняющих веществ от точечных источников обычно регулярны и могут рассматриваться как стационарные. Они фиксированы на местности, а нагрузки ЗВ оцениваются по непосредственным замерам, известным технологиям производства и т.д. Качество воды в заданном сечении водотока определяется суммарной нагрузкой от совокупности источников, объемом потока воды и последующего растворения и распада загрязняющих веществ в условиях установившегося течения.
Оценка неточечных источников и их воздействий включает больше этапов, причем каждый из них является существенно более сложным (табл. 3).
Таблица 3.
Сравнение основных этапов при оценке загрязнения водных объектов точечными и неточечными источниками
Виды оценок | Точечные источники | Неточечные источники | |
Интенсивности поступления загрязняющих веществ | Установившееся состояние; фиксированные сбросы: | Неустановившееся состояние; перемещение загрязняющих веществ водными | |
легко оцениваются!или эрозионными потоками: | |||
трудность оценки | |||
Условия расчета | Спокойное течение; малая зависимость от гидрологических параметров | Динамические и стохастические процессы: высокая зависимость от гидрологических параметров | |
Представление системы | Простое представление (одномерный поток с источниками) | Сложное двухмерное представление водосбора и водного объекта | |
Оценка воздействия (моделирование) | Детерминированные модели качества воды для установившегося потока Обычно не требуются | Объединенный расчет площадной нагрузки и переноса загрязняющих веществ | |
Приближенне методы | |||
Оценка линейных источников и временных масштабов в моделях установившегося состояния или пиковой нагрузки | |||
Калибровка и оценка параметров | Литературные данные (временные ряды и контуры) | Полевые измерения (не всегда адекватны для калибровки сложных моделей) |
Как следует из табл. 3, в большинстве случаев диффузное загрязнение прямо или косвенно приводится в движение водными или эрозионными потоками, т.е. нагрузки по своей природе являются динамическими. На водосборах, где преобладают диффузные нагрузки, с увеличением потоков повышается количество смываемых загрязняющих веществ и, следовательно, их концентрация в водном объекте. Поглощение веществ растениями и превращения веществ (например, азотный цикл) также играют важную роль. Таким образом, для детальной оценки нагрузки загрязняющих веществ водный и материальный циклы на водосборе должны рассматриваться совместно.
Неточечные источники тесно связаны с разными типами землепользования. Поэтому решения, относящиеся к ним, затрагивают большое количество людей и требуют особого экономического обоснования и достижения компромиссов в разных общественных структурах. Классификация типов источников загрязняющих веществ, пространственные и временные масштабы, а также требуемые модели качества вод представлены в табл. 4.
Таблица 4.
Выбор модели для проблем неточечного загрязнения
Тип источника и загрязнителя | Пространственный масштаб | Временной масштаб | Структура модели |
Городские ливневые стоки | |||
Сильные загрязняющие вещества (колиформовые бактерии, осаждения, дефицит растворенного кислорода) | Ближайшая часть водного объекта любого типа | Часы | Переходные модели потоков в каналах, процессы разбавления |
Постоянно присутствующие загрязняющие вещества в реках (токсичные материалы, непрерывные колиформовые сбросы, постоянный дефицит растворенного кислорода) | Удаленная часть водного объекта | Дни | Потоки в реках, разложения первого порядка |
Биогенные вещества в озерах и морях (фосфор для озер, азот для морей) | Весь водный объект | Месяцы до годов | Модели долгосрочного нагружения типа Воленвейде-ра(одно-или многоблочные модели) |
Аккумулированные загрязняющие вещества в объектах любого типа | Весь водный объект | Месяцы до годов | Долгосрочные модели токсичных загрязняющих веществ (одно- или многоблочные модели) |
Сельскохозяйственные (внегородские) стоки, постоянно присутствующие |
Загрязняющие вещества в реках (токсичные материалы, нагрузки осаждений, дефицит растворенного кислорода) | Дальняя ласть, водный обвесь объект | Дни до месяцев | Потоковые модели токсичных загрязняющих веществ в реках, процессы осаждения |
Аккумулированные загрязняющие вещества во всех водах (пестициды, гербициды) | Весь водный объект | Месяцы до годов | Долгосрочные модели токсичных загрязняющих веществ в реках |
Биогенные вещества в озерах и морях (фосфор для озер, азот для морей) | Весь водный объект | Месяцы до годов | Модели долгосрочного нагружения типа Воленвейдера (одно или многоблочные модели) |
Таким образом, точечные и неточечные источники отличаются различными пространственными и временными масштабами. Как правило, от точечных источников стационарно поступают сбросы загрязняющих веществ. Неточечные источники высоко динамичны и широко пространственно распределены. Их разнообразие требует специальных усилий при разработке и обосновании типа математических моделей. На стадии предварительного анализа вполне приемлемы простые аналитические модели. Во многих случаях они адекватны и для полной оценки. Наиболее известные в настоящее время модели качества воды следующие.
Для рек:
— вероятностная модель для стохастических нагрузок консервативных загрязнителей;
— модель Стритера - Фелпса для потока растворенного кислорода и БПК;
— упрощенные модели взвешенных веществ;
— модели микрозагрязнителей, учитывающие абсорбцию и другие процессы.
Для озер:
— модель Воленвейдера для фосфорной нагрузки;
— модель токсичных нагрузок;
— двухслойная модель нагрузки загрязнителя. Для дельт:
— дисперсионная модель.
Многие модели равно применимы к точечным и неточечным источникам загрязнения, но некоторые модели подходят только для анализа и оценки неточечных источников.
2. Двумерная модель переноса растворенной примеси и тепла в неглубоких водоемах
Процесс формирования качества воды в водохранилище обусловлен множеством факторов. Однако в первую очередь он зависит от того, как будет распространяться потенциальное загрязнение в водоеме. Получение картины распределения загрязняющих веществ или других показателей качества воды является первым и часто основным этапом в решении задач использования водохранилищ, включая размещение водозаборов, выпусков сточных вод, зон рекреации, рыбохозяйственных объектов. Для прогноза качества воды и разработки мероприятий по защите водоемов от загрязнения необходимы также знания динамики в водных объектах и связанных с ней процессов тепло - и массопереноса.
Проведение натурных экспериментов на естественных водных объектах или физических моделях не только требует больших материальных затрат, но иногда является в принципе невозможным. Поэтому для исследования процессов, происходящих в этих системах, применяются методы математического моделирования и вычислительного эксперимента.
Непосредственными результатами использования модели являются: схемы течений, обеспечивающих перенос веществ и тепла в водоеме; распределение условных показателей качества по акватории; динамика контролируемых показателей в отдельных точках; табличные массивы концентраций, температур и скоростей течения в водоеме.
Конечные цели использования модели переноса - определение структуры течений в водоеме; прогноз состояния качества воды в результате преимущественно конвективного распространения веществ, которые поступают в водоем из внешних источников.
Плановая картина течений описывается системой дифференциальных уравнений движения жидкости в форме Рейнольдса:
где- проекции удельных (единичных) расходов воды на оси коор-
динат, м/с2;- компоненты скорости течения, м/с;- глубина, м;
- отметки поверхности воды, м;- отметки дна, м;коэффициент гидравлического трения на дне;- коэффициент шероховатости дна; с;-коэффициент кинематическойвязкости, м2/с.
Последние слагаемые в правой части уравнений (93) и (94) характеризуют турбулентные напряжения в потоке. При расчете поля скоростей в водоемах их численное значение мало по сравнению со значениями других составляющих уравнения, в частности члена, характеризующего сопротивления на дне. Тем не менее учетиимеет смысл с точки зрения численного расчета уравнений движения.
Динамика примеси в воде описывается уравнением
где- обобщенный коэффициент турбулентной диффузии, м2/с: - концентрация вещества в воде, осредненная по глубине.
Уравнение, учитывающее дополнительные потери через поверхность раздела воздух-вода, описывает распространение тепла в водоеме:
где- температура воды,- плотность потока тепла за счет конвек-
тивного теплообмена через свободную поверхность воды.Мкал/м2-сут;- коэффициент теплоотдачи, Мкал/м2-сут-град:-температура воздуха,
Начальные условия определяются полем скоростей (К.)0 и (Ух)0, а также отметками поверхности воды (zn)Q или глубинами hQ. Граничные условия отражают особенности динамики на проницаемых и непроницаемых границах расчетной области, а также вблизи источников и стоков. Проницаемые границы могут определяться расходами воды через нее или отметками свободной поверхности. Источники (водохозяйственные сбросы, притоки в водоем) или стоки (водозаборы, водопропускные сооружения гидроузлов) определяются значениями расходов воды.
Следует отметить, что применяемые в практике полуэмпирические уравнения турбулентной диффузии обычно учитывают конвективные и диффузионные процессы. Но применительно к расчетам в мелководных водоемах наибольшее влияние на решение оказывают конвективные члены, поэтому перенос примеси обусловлен в основном осредненным полем скоростей течения. Что касается турбулентной диффузии, то по результатам расчетов роль обобщенного коэффициента D в суммарном переносе невелика и не ттеБышает нескольких процентов.
Начальное поле скоростей получают предварительным расчетом на пе-т-::д зремени, который необходим для полного водообмена в моделируемом ь: догме.
Поскольку модель опирается в основном на решение уравнений гидро-ЕЕ^мики, она использует минимальный набор исходных данных, в состав :: го входят следующие:
— отметки дна;
-отметки свободной поверхности воды (или глубины);
— коэффициенты шероховатости дна;
-коэффициенты шероховатости на поверхности потока (нижней границе льда)
--толщина льда;
--скорости течения;
--Удельные расходы воды;
-- формированные концентрации;
--нормированные температуры воды;
--расходыисточников;
— концентрация/температура воды источников;
— расходы стоков;
— коэффициент кинематической вязкости;
— температура воздуха;
— коэффициент теплоотдачи;
— коэффициент теплопроводности льда.
Метод решения состоит в замене дифференциальных уравнений их конечно-разностными аналогами на неравномерной сетке по пространственным переменным.
В процедуре расчета течений в точке (х, у) используется метод контрольного объема. Как следствие, исходная сетка фактически преобразуется в массив ячеек, где центры ячеек соответствуют узлам сетки. В связи с этим пространственная привязка различных исходных данных является неодинаковой. Так, значения глубин, отметок дна и поверхности воды, параметров качества, коэффициентов шероховатости задаются и рассчитываются в узлах сетки (в центрах ячейки). Значения скоростей течения и удельных расходов задаются в центрах сторон Ах и Ау, ограничивающих ячейку. Схема привязки данных к расчетной сетке приведена на рис.5.
С точки зрения практического применения модель предназначена преимущественно для исследований и крайне необходима при проведении многократных численных экспериментов. Но по их результатам могут определяться один или несколько вариантов, которые должны составлять содержание комплексных моделей конкретных водоемов.
3. Модели прогнозирования экологического состояния водных
объектов
Важной проблемой управления водопользованием является прогнозирование экологического состояния водного объекта при заданном сценарии внешних воздействий. Теоретические основы прогнозирования качества воды на базе использования математических методов были сформулированы и Частично применены на практике уже к 80-м годам.
Вместе с тем и по сей день остается актуальным выбор эффективного описаия механизма биогеохимических процессов в водотоках и водоемах.
По сути. каждая новая работа по моделированию экологического состояния природных водных объектов связана с продвижением в этой области, разработкой методических приемов, позволяющих оценить характер протекающих химико-биологических процессов в конкретной водной экосистеме, и отвечает на тот или иной поставленный перед специалистам вопрос.
Важное значение при этом имеет моделирование гидротермических нтодессов, определяющих условия функционирования водного биоценоза. В данной работы не входило подробное рассмотрение этой области моделирования объектов водного хозяйства. Тем не менее представляется важным отметить деятельность научных школ академика О.Ф. Васильева, В.М. Белолипецкого, В.И. Квона, Н.Н. Филатова, многие работы которых были посвящены, по сути, экологическим задачам и порой непосредственно использовались при моделировании состояния водных экосистем озер (Байкала, Ладожского и Телецкого) и водохранилищ (на Енисее, Оби и т.п.).
В имитационных моделях водных экосистем, как правило, воспроизводятся природные - биогеохимические циклы соединений фосфора и/или азота, лимитирующих развитие гидробионтов в водоемах. Такой подход применяется в исследовательских работах по экологическому моделированию различных водных объектов (например, Азовское море, водные биоценозы в районе расположения Ленинградской АЭС, озера Кубенское, Ладожское, Байкал, Дальнее, Нарочанские озера.
Данными исследованиями открывается этап разработки имитационных моделей водных объектов, и посвящены они в большей степени технологии конструирования последних. Натурные данные используются в основном для проверки адекватности моделей, хотя в ряде случаев удается получить количественные оценки процессов продукции и деструкции, массо- и энергообмена в экосистемах, что весьма интересно с научной точки зрения и было бы крайне сложно или невозможно найти другим путем. Использование этих моделей в практической деятельности водохозяйственных организаций пока затруднено, в первую очередь из-за того, что для расчетов необходимы данные специальных натурных наблюдений, которые не входят в стандартный перечень показателей, контролируемых службами мониторинга ОГСНК.
Прикладные эмпирические модели, рассчитанные на минимальный объем исходной информации, применимы лишь для интерпретации данных наблюдений. Попытки использовать такие модели для прогноза иногда приводят к нереалистичным результатам. В связи с этим актуальна разработка специальных имитационных моделей водных экосистем, в которых должны воспроизводиться природные биогеохимические циклы трансформации соединений, а вся входная информация должна сопоставляться с данными Государственной службы наблюдений.
Контрольные вопросы:
1. Поясните понятия - диффузное и точечное загрязнение водных объектов.
2. Какие природные показатели необходимо привлечь для оценки качества вод?
3. Какие даккые необходимо учитывать при оперативном управлении качеством вод?
4. Каковы конечные цели использования математических моделей при проектировании ВХС с учётом качества воды?
5. Какие показатели необходимо учитывать при прогнозировании экологического состояния водных объектов?
– Конец работы –
Эта тема принадлежит разделу:
Лекция Цели и задачи водохозяйственного проектирования... Вопросы Введение в водохозяйственное планирование к проектирование...
Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ: Лекция 6Математические модели оценки и прогнозирования качества вод
Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:
Твитнуть |
Новости и инфо для студентов