МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПРИРОДООБУСТРОЙСТВА

 

 
"РОЛЬ ПРИРОДООБУСТРОЙСТВА В ОБЕСПЕЧЕНИИ УСТОЙЧИВОГО ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ И РАЗВИТИЯ ЭКОСИСТЕМ "
 
(МАТЕРИАЛЫ МЕЖДУНАРОДНОЙ НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ)
 
Москва 2006

УДК 519.86:556.531

НеКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ КАЧЕСТВА ВОД

 

А.Е. Гусев аспирант

Всероссийский научно-исследовательский институт гидротехники и мелиорации

 им. А.Н. Костякова, г. Москва, Россия

 

В России насчитывается свыше 2,5 миллионов малых рек, формирующих около половины суммарного объема речного стока. В бассейнах рек проживает до 44 % городского и почти 90% сельского населения страны.

Малые реки выполняют функции регулятора водного режима ландшафтов, поддерживая равновесие и перераспределение влаги. Они определяют также гидрологическую и гидрохимическую специфику водных ресурсов средних и крупных рек.

Для России использование водных ресурсов малых рек всегда имело большое значение. В последние десятилетия отмечался интенсивный рост водопользования и водопотребления на малых реках, что привело к ухудшению качества воды и гидрологического режима. Значительно увеличилось безвозвратное водопотребление, которое в средней по водности год составляет 4 % от всех водных ресурсов, а в Европейской части России превышает 12 %. В остромаловодные годы из малых рек забирается до 22 % их стока, а в таких регионах, как Центральный и Центрально-Черноземный, более 50%.

Основным источником загрязнения малых рек являются отработанные промышленные и коммунальные сточные воды. Создание отстойников и очистных сооружений недостаточно снижает степень загрязнения этой категории сточных вод.

Серьезными проблемами качества природных вод являются высокие уровни содержания в сточных водах нефтепродуктов, низкие концентрации растворенного кислорода, бактериологическое загрязнение, высокие концентрации аммиака и нитратов.

Механизмы происходящих в реке физико-химических процессов описываются так называемыми непрерывными или гидродинамическими моделями с сосредоточенными, или распределенными параметрами.

В моделях с распределенными параметрами (МРП) водосбор делится на однородные участки с едиными характеристиками переменных состояния. Каждая площадная единица описывается индивидуально системой дифференциальных уравнений баланса масс. МРП требуют детального описания параметров системы для каждого элемента площади. Любые изменения характеристик водосбора эффективно моделируются. МРП также больше подходят для ГИС и компьютерно ориентированного моделирования. Модели с сосредоточенными параметрами (МСП) могут быть как детерминированными, так и стохастическими, а водосбор или существенная его часть представляются как единое целое.

Начальным этапом формирования математических моделей, является выделение последовательных этапов. Во всех случаях общим каркасом остается гидрологическая модель. Изменчивость получаемых решений изучается при разных пространственно-временных масштабах описываемых явлений.

Точечные и диффузные источники загрязнения отличаются различными пространственными и временными масштабами. Как правило, от точечных источников загрязняющие вещества поступают стационарно. Неточечные источники высоко динамичны и широко распределены в пространстве. Их разнообразие требует специальных расчетов 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 для рек следующие:

- 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.

Основными физическими процессами, влияющими на концентрацию загрязнений, являются процессы адвекции и диффузии. Однако прогноз качества вод предполагает также детальное изучение всех параметров разнообразных химических, биохимических, биологических и физических процессов. В большинстве моделей качества воды они характеризуются агрегированными соотношениями, включающими один-два параметра. Наиболее часто используется класс реакций, описываемый уравнением

                                                         =  KCn ,                                                              (1)

где С – концентрация, когда в зависимости от значения n = 0,1,2 речь идет о процессах нулевого, первого и второго порядков.

Например, процессы осаждения и разложения органического вещества, характеризующиеся биохимическим потреблением кислорода, описываются уравнением кинетики первого порядка, в котором К – соответственно, скорость осаждения или скорость разложения вещества.

Уравнения процессов в форме Стритера-Фелпса основаны на допущениях кинетики первого порядка и имеют вид:

                                                   =  -KdC1 ,                                                                (2)

                                                   =  KdC1  - KaC2 ,                                                     (3)

где Kd – коэффициент разложения БПК;  Kа – коэффициент реаэрации.

Для потока, имеющего постоянную скорость течения V, время t может интерпретироваться как продолжительность (t = x/V) протекания процесса на участке длиной x при скорости течения U, и тогда система (2), (3) может быть решена аналитически. При этом первое уравнение характеризует процесс разложения органического вещества, а второе определяет, так называемую, кривую спада растворенного кислорода. Кривая спада показывает, что дефицит кислорода достигает максимума на некотором критическом расстоянии от точки сброса сточных вод. Это расстояние часто используется для оценки норматива очистки вод.

В настоящее время используется также имитационная компьютерная модель разработанная на базе программного комплекса MIKE 11 Датского гидравлического института. Компьютерный комплекс MIKE 11 реализован в форме модульной структуры, одним из которых является модуль качества воды (WQ). Модуль WQ описывает процессы химических реакций в многокомпонентных системах. В модуле решается система дифференциальных уравнений, описывающая физическое, химическое и биологическое взаимодействие. Основные параметры модуля: БПКР, БПКВ, БПКД, обозначающие соответственно растворенную, взвешенную и донную фракции БПК, аммоний и нитратный азоты (NH3 и NO3), а также растворенный кислород. На происходящие процессы влияют также внешние факторы, такие как солнечная радиация и выделение тепла. Для примера рассмотрим такой процесс как реаэрация

d(РК)/dt = K2(CSPK),

где РК – концентрация растворенного кислорода, мг/л;

СS = 14,652 + Т(-0,41022 + Т(0,007991 – 0,000077774Т)), мг/л – концентрация предельного насыщения кислорода, вычисляемая по формуле;

     К2 (сут.-1) – коэффициент реаэрации при 20оС, вычисляемый по формуле

K2 = AVb Hc Id;

где V – скорость потока, м/с;   Н – глубина, м;  I – уклон; A, b, c, d – эмпирические константы;   t – время, сут.

Через  с индексом соответствующего вещества обозначен температурный коэффициент Аррениуса.

Различие модели WQ по сравнению с моделью Стритера-Фелпса выражается не только в числе фазовых переменных, которых стало больше, но одновременно и в существенном увеличении числа параметров.

Большой практический интерес вызывают модели качества воды в реках. В научной литературе достаточно много теоретических обоснований и практических подходов к решению задач управления качеством природных вод. Математические модели позволяют обосновать стратегию управления качеством воды и оценить последствия ее реализации, ключевыми задачами становятся обоснование приоритетных показателей качества воды и установление основных целей водоохраной деятельности. Реализация математических моделей с помощью современных компьютерных технологий позволит в оперативном режиме контролировать качество вод поверхностных водных источников.

 

Библиографический список

 

1.         Бородавченко И.И., Зарубаев Н.В. Охрана водных ресурсов. – М.: Колосс, 1979.

2.         Пряжинский В.Г., Ярошевский Д.М., Левит-Гуревич Л.К. Компьютерное моделирование в управлении водными ресурсами. – М.: Физматлит, 2002.