Антропогенное воздействие на водную среду зависит от решений в сельскохозяйственной и промышленной деятельности человека, поэтому необходимо заранее прогнозировать вероятные следы воздействия на водную экосистему без риска для экосистем и необходимых последствий. Построение моделей водных экосистем и необратимых последствий. Построение моделей водных экосистем позволяет проиллюстрировать на единой формальной основе представление о ведущих факторах и данных механизмах определяющих особенности формирования реальной водной экосистемы.
В моделях загрязнения водоемов переменные состояния характеризуют реакцию системы на выявление случайных факторов и характеризуют способность системы к сохранению и осуществлению реальной связи через выходные переменные учитывая воздействие окружающей среды на систему, они могут быть как природными, так и антропогенными. Выходные переменные характеризуют реакцию системы на воздействие окружающей среды. Действие этих переменных в пространстве и времени обычно описывается при помощи детерминированных, или стохастических функций в зависимости от того можно ли связать определенное значение, или вероятностное распределение возможных значений, зависимых переменных с конкретным значением зависимых переменных. Если необходимо получить какой либо определенный результат, то модель используется для проверки возможных колебаний существующих стратегий (имитационное моделирование).
Математические и иммитационные модели формирования качества воды при условиях антропогенного влияния необходимо разрабатывать или создавать с учетом взаимодействия всех основных факторов и процессов (гидрофизических, гидрохимических, гидробиологических), которые влияют на динамику показателей качества воды. С помощью математических моделей опр. Или прогнозируют динамику количественных показателей (концентрация) разных веществ на водный и гидрохимический режим водоема, на загрязнение его токсичными и радиоактивными веществами. Основные факторы влияющие на смену концентраций веществ в водоемах, которые учитываются при составлении модели водоема.
- Смена речного стока, или выпуск воды через плотину ГЭС для водохранилища.
- Влияние подземного стока.
- Поступление дренажных вод из мелиоративных систем.
- Поступление воды и загрязняющих веществ из площади водосбора в виде промышленных и бытовых стоков.
- Седиментация зависших в воде частиц.
- Взмучивание донных отложений.
- Безвозвратное водопотребление.
- Трансформация веществ в виде физико-химических, радиоактивных преобразований.
- Выпаривание воды с поверхности.
Для изучения влияния каждого из этих факторов на водно-солевой или гидрохимический режимы водных объектов необходимо использовать основные физические, химические законы, определяющие распределение в воде примесей и построить математическую модель миграций трансформации и накопления веществ отдельных компонентов водной экосистемы, а следовательно и возможного загрязнения.
Основные механизмы распространения вещества в подвижной среде :
- Растворение и перемешивание в потоке воды и на его границе, увеличение потоком воды частиц вещества, растворенных или перемешанных в этом потоке.
- Молекулярная или турбулентная диффузия вещества направленные на выравнивание определенного вещества в стоячей или подвижной воде.
Научную базу описания обменных процессов водных экосистем дали работы основоположника математической экологии Алексея Андреевича Ляпунова, крупнейшего русского ученого, стоящего у истоков также и других областей математического моделирования, в том числе математической лингвистики. В работах Ляпунова впервые в одной модели были объединены физические (гидродинамические) и биологические (хищничество) процессы. А.А.Ляпунов подчеркивал важность для экосистем как физической (поглощение энергии света), так и биологической (образование биомассы) роли фотосинтеза. Впервые идеология такого моделирования была разработана в модели экосистемы пелагиали тропических вод океана для 44 рейса научно-исследовательского судна Витязь, задача которого состояла в изучении продуктивности этой системы в рамках международной биологической программы.
Следует заметить, что распространение примесей в водной среде можно описать теми же уравнениями гидрогазодинамики (уравнение турбулентной диффузии), которые применяются для атмосферы, но вследствие сложности учета водного течения и других факторов они плохо пригодны для практического использования. Но, несмотря на это, исследования в этом направлении ведутся, и определенные успехи в этой области уже получены.
Моделирование загрязнения водной среды рассмотрим на примере двух взаимодействующих групп: вода, содержащая растворенный кислород, и сбрасываемые в воду органические отходы. Разложение органических отходов в водной среде происходит под действием бактерий, вызывающих цепь химических реакций, которые протекают с использованием кислорода. Поэтому моделируется взаимосвязь концентрации кислорода и отходов в воде.
Концентрацию отходов часто определяют в специальных единицах измерения — так называемой биохимической потребности кислорода(БПК). БПК равен отношению количества кислорода, необходимого для разложения отходов, к объему воды (мг/л).
Скорость разложения отходов пропорциональна их концентрации L (если присутствует достаточно кислорода):
dL/dt = -k1L
где k1 — постоянная отбора кислорода; обычно измеряется в единицах (день)»‘.
Если c0-концентрация кислорода при отсутствии отходов (известная функция от температуры воды), то при поступлении отходов концентрация кислорода с будет меньше c0. Введем разность этих величин D = c0-c, которая будет характеризовать недостаток или дефицит кислорода в водной среде в связи с поступлением в нее органических отходов. Величина D может увеличиваться со временем вследствие поступления (и окисления) отходов и уменьшаться вследствие поглощения кислорода поверхностными слоями воды (этот процесс называется реаэрацией), т. е.
dD/dt = k1L-k2D
Нужна помощь в написании доклада?
Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Наша система гарантирует сдачу работы к сроку без плагиата. Правки вносим бесплатно.
где k1L- характеризует процесс окисления отходов, k2D-реаэрацию, k2-постоянная реаэрации, единица ее измерения (день)-1.
Таким образом, получается система из двух уравнений (предложенная впервые Стритом и Фелпсом в 1925 г., но до сих пор широко применяемая в силу своей простоты и одновременно достаточно адекватного описания реальной динамики происходящих процессов; это хороший пример достигнутого компромисса между простотой модели и ее прогностическими возможностями):
dL/dT = -k2L
dD/dt = k1L-k2D
Решение этих уравнений дает:
где L(0)и D(0) -начальные значения при t = 0.
Важный практический вопрос заключается в следующем: какое максимальное обеднение воды кислородом может наблюдаться в данном месте реки или водоема в результате сброса в них органических отходов? Дело в том, что если концентрация кислорода падает ниже некоторого критического уровня, начинают гибнуть организмы (рыбы, ракообразные и др.), обитающие в водной среде. Таким образом может инициироваться цепочка событий, которая способна привести к необратимым последствиям гибели нормальной экологической жизнедеятельности водоема. Максимальный дефицит кислорода Dmax можно определить, приравнивая к нулю производную D'(t) = 0. Отсюда получим:
где L(0)и D(0) -начальные значения концентрации отходов и дефицита кислорода.
Время t связано с расстоянием х от места сброса. Если V — скорость течения реки, тогда х=Vt. В этом случае D(0) — начальное понижение концентрации, обусловленное наличием заводов в верхнем течении реки.
Таким образом, необходимо, чтобы удовлетворялся экологический стандарт или экологический критерий безопасности жизнедеятельности водных организмов:
Dmax < Dlim.
Это один из выводов, который можно сделать после применения данной модели к реальным условиям. Кроме того, модель позволяет оптимизировать режимы сброса предприятиями органических отходов в воду.
Еще один довольно простой способ количественной оценки поступления загрязняющих веществ в водный объект от рассредоточенных источников основан на использовании показателя, который в англоязычной литературе называется Unit Area Load, т. е. нагрузка с единичной площади. В работах отечественных авторов эту характеристику водосбора, измеряемую в единицах [ML-2 Т-1], например, 1 кг/(га год), называют модулем стока поллютанта или модулем химического стока — по аналогии с применяемым в гидрологии модулем водного стока. Модуль стока загрязняющего вещества определяет количество поллютанта, поступающего с единицы площади водосборного бассейна через его замыкающий створ в единицу времени. Ежегодная нагрузка с исследуемого водосбора рассчитывается умножением данного показателя на площадь водосборной территории.
Рассчитать модуль химического стока позволяют измерения количества загрязняющего вещества, проходящего с водой за определенный период времени Δt через замыкающий створ изучаемого водосбора, т. е. измерения нагрузки. Нагрузку L с выбранного водосбора (в единицах массы) можно рассчитать, например, следующим образом:
L=<c>QdΔt,
где <с>- среднее значение концентрации вещества (кг/ м3) в замыкающем створе исследуемой территории, рассчитанное на основе регулярных (например, ежедневных) наблюдений в течение определенного периода;
Qd — среднесуточный расход воды (м3 /с), наблюдаемый одновременно с концентрацией.
Нужна помощь в написании доклада?
Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Наша система гарантирует сдачу работы к сроку без плагиата. Правки вносим бесплатно.
Вполне очевидно, что такая простейшая оценка величины L может быть верной лишь при относительно постоянных значениях расхода и концентрации или при малых Δtt в то время как для большинства случаев она представляется весьма сомнительной.
Более корректный путь оценки нагрузки с водосборного бассейна требует прежде всего установить соответствие между концентрацией вещества и расходом воды в замыкающем створе. Это может быть сделано с помощью построения зависимости «концентрация — расход» и нахождения затем, например, уравнения регрессии по методу наименьших квадратов. В общем случае искомая зависимость заведомо будет нелинейной, и, как минимум, возможны следующие варианты.
1. Концентрация (средняя) достаточно постоянна и не зависит от расхода, т. е. <с>≈c0. Соответственно, суточная нагрузка с водосбора ld будет пропорциональна суточному расходу воды:
ld =< с >Qd = c0× Qd, кг/сут.
2. Концентрация < с > обратно пропорциональна расходу, т. е.
<с>≈ а1/ Qd.
В зтом случае
ld =<c> Qd =a1, кг/сут.
3. Средняя концентрация пропорциональна расходу, т. е.
<с>≈ а2× Qd
отсюда следует, что
ld =< с >Qd = а2× , кг/сут.
В более общем случае показатель степени в последнем выражении может отличаться от 2.
4. Более правдоподобный в реальной ситуации вариант, когда связь «концентрация — расход» представляется комбинацией всех рассмотренных случаев:
Нужна помощь в написании доклада?
Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Наша система гарантирует сдачу работы к сроку без плагиата. Правки вносим бесплатно.
<с>≈c0+а1/ Qd+а2· ,
ld =< с >Qd ≈ c0Qd+а1+а2 , кг/сут,
где, вообще говоря, b>1.
Годовой объем выноса вещества (годовая нагрузка Ly) с водосбора может быть рассчитана следующим образом:
Ly = c0Qy + 365a1 + a2S , кг/год,
где Qy — годовой водный сток в исследуемом створе.
Если вклад точечных источников в рассчитанную таким образом нагрузку можно считать пренебрежимо малым, то модуль стока поллютанта Y с водосбора площади A будет определяться следующим выражением:
Y = Lу /А = c0Qy /А +365а1/А +(a2/A)S , кг/(га·год). (3.1)
Общий метод определения модуля химического стока состоит в непрерывном измерении в течение некоторого времени Т = Т2— Т1 расхода Q и концентрации с изучаемого вещества в замыкающем створе выбранного водосбора площади А. Коэффициент химического стока Y рассчитывается затем как усредненная величина
где Т1 и Т2 — моменты начала и конца периода наблюдений Т.
Поскольку непрерывные измерения концентрации в воде не проводятся, это выражение следовало бы представить в виде какой-нибудь квадратурной формулы. Например, аппроксимируя интеграл формулой трапеций, можно записать:
Здесь: сi и Qi — значения концентрации и расхода воды, полученные в результате i-го измерения;
п — число измерений;
Lj — нагрузка на исследуемый водоток от i-го точечного источника за изучаемый период времени Т.
Нужна помощь в написании доклада?
Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Наша система гарантирует сдачу работы к сроку без плагиата. Правки вносим бесплатно.
В последнем выражении возможный вклад точечных источников уже выделен, так что величина Y, определенная таким образом, характеризует исключительно диффузное загрязнение.
Теоретически простая методика оценки величины нагрузки на водные объекты па основе понятия о модуле стока загрязняющего вещества на практике сопряжена с серьезными трудностями. Первая состоит в самой оценке этого коэффициента. Дело в том, что обеспечить непрерывные или достаточно частые измерения величины концентрации, как правило, бывает невозможно слишком дорого. Поэтому частота, с которой проводятся измерения расходов Qi и концентраций сi, обычно бывает равной. Например, отбор проб воды для определения концентрации химического вещества производится только через какие-то интервалы времени, в то время как измерения расхода могут быть довольно частыми, почти непрерывными. Поэтому при расчете модуля стока па основе уравнения приходится использовать какие-то предположения о связи «концентрация-расход». Установить статистически достоверно эту связь на основе одновременных измерений величин Q и с практически невозможно из-за того, что концентрация загрязнения в створе измерений определяется слишком многими условиями, зависит от большого числа самых разных факторов.
Еще одна проблема состоит в том, что данный метод расчета может быть использован лишь для консервативных веществ, не подверженных процессам трансформации, таким как распад, химические реакции, потребление растениями и т. д. Легко попять, что такие консервативных веществ в действительности вообще не существует. Следовательно, модуль химического стока, определенный описанным выше способом, может отражать ситуацию только на том водосборе и только в тот момент времени, когда производилось измерение, и строго говоря, не может применяться не только к другим водосборным бассейнам, но даже к этому же водосбору в других гидрологических условиях.
Среди многих факторов и процессов, оказывающие влияние на судьбу загрязняющих веществ при их прохождении от источника до точки наблюдения — длина пути транспортировки поллютанта, которая в данном случае определяется размером водосбора и его гидролого-геологическим и особенностями, является одной из важнейших характеристик. Следовательно, использовать значение модуля стока загрязняющего вещества, полученное для одного водосборного бассейна, для оценки величины рассредоточенной нагрузки с площади другого водосбора следует весьма и весьма осторожно, лишь убедившись, что размеры водосборных бассейнов близки, а гидрологические и гидрометеорологические условия и типы землепользования в них аналогичны.