Эколого-экономическая модель реки

Информатизация управления территориально-отраслевыми комплексами делает актуальной разработку эколого-экономических моделей для использования в водном хозяйстве [1–5].

Моделирующая информационная система «Гидроменеджер» предназначена для мониторинга и управления качеством вод речного бассейна и создана как проект в настольной географической информационной системе общего назначения ArcView GIS 3.0a с расширением Spatial Analyst. В данном проекте с учетом действующей нормативной базы реализована математическая модель экологических и экономических процессов в природно-техническом комплексе реки. Информационной основой для использования математического описания являются стандартные данные государственных служб водного мониторинга и статистики.

Отдельные процедуры в информационной системе (далее – ИС) реализуют информационно-моделирующий блок качества вод речной сети, оптимизацию водоохранной деятельности на уровне как предприятия, так и бассейна. Проект состоит из следующих компонент:

• -    картографическая база данных с функциональной частью системы;

• -    атрибутивная база данных объектов системы;

• - внешние программы, реализующие модельные расчеты.

Для реализации подхода необходима вносимая пользователем в базы данных ИС информация водного мониторинга, а также данные об экономической и водохозяйственной деятельности предприятий. Кроме того, при создании ИС «Гидроменеджер» в качестве исходной использована информация координатной части картосхемы, величина коэффициентов относительной значимости створов. В результате параметризации моделей самоочищения по данным водного мониторинга бассейна Верхней Оби оценены коэффициенты уравнений.

Таким образом, для использования ИС «Гидроменеджер» применительно к случаю произвольного речного бассейна Российской Федерации достаточно иметь карту последнего распространенного масштаба (например,

1:500000) и стандартную информацию государственных служб РФ.

В настоящее время накоплен определенный опыт моделирования гидрохимического режима рек (см., например, [6–10]). В ИС «Гидроменеджер» использован вариант модели, рассчитанный на использование стандартных данных служб Рос-комгидромета, осуществляющих сейчас водный мониторинг в России.

Другой особенностью работы является проведение параметризации модели качества воды по данным наблюдений на участке моделируемого речного бассейна.

Модель качества воды воспроизводит пространственное распределение в реке содержания двадцати видов химических показателей: 1) БПК5, 2) дефицита кислорода, 3) взвеси, 4) ХПК, 5) аммония, 6) нитритов, 7) нитратов, 8) СПАВ, 9) нефтепродуктов, 10) фенолов, 11) гексахлорана, 12) хлоридов, 13) сульфатов, 14) магния, 15) кальция, 16) линдана, 17) железа, 18) меди, 19) свинца, 20) фосфатов для восемнадцати характерных периодов года.

Перечень химических компонентов зависит от условий конкретного речного бассейна и может быть изменен. Точечные сбросы предприятий учитываются в граничных условиях.

Уравнения модели в квазистационарном одномерном горизонтальном приближении выглядят следующим образом:

L Q ² • B ) w dw ² C 8 h) „ -

I 1-- — I —---1 i --!• B • w

I     g • _w ³ I 2 dx ( 8 x)

_ _R f q • Q   Q ² ) _a d^QQ

- - B • --+ ——   q - ——

| g C ² • R J       dx

d ( Q • C, ) d(      dCi )

—j- = — I E • w--j I + w• Hj + Gj , (2) dx dx dx где Q – расход воды, куб.м/с;

B – ширина свободной поверхности водотока, м;

g – ускорение силы тяжести, м/с²;

w – площадь поперечного сечения водотока, кв.м;

x – продольная координата вдоль русла, м;

i_о – уклон дна;

h – глубина реки, м;

q – боковая приточность на единицу длины, кв.м/с;

C_j – концентрация j -го химического соединения, г/куб.м;

j е [1... М], М = 20 - число компонент;

E - ^5,93 • h • v g • ^ (представление Елдера для коэффициента продольной дисперсии), кв.м/с;

Q u = — - средняя по сечению скорость водо-w тока, м/с;

H_j – член, характеризующий неконсерватив-ность рассматриваемого j -го соединения, г/куб.м ∙ с;

G_j – путевая нагрузка на единицу длины водотока, характеристика неточечных источников загрязнений, г/м ∙ с.

Коэффициент Шези C вычисляется по форму ле Маннинга С = -• R1,3''n , с размерностью м0,5 • n

• с, n – шероховатость русла; R – гидравлический w

радиус, м: R = — .

Здесь смоченный периметр (м) X вычисляет- ся как: R = w , где b (x, z) - ширина реки на рас- стоянии z от дна, м.

Уравнения (1–2) представляют собой вариант одномерной системы уравнений для установившегося неравномерного движения примеси в воде с учетом боковой приточности в непризматическом русле реки. Задача прогноза решается для восемнадцати периодов в течение расчетного года: для паводка (апрель-июнь) – ежедекадно, для остального времени – ежемесячно.