Архів якісних рефератів

Знайти реферат за назвою:         Розширений пошук

Меню сайту

Головна сторінка » Екологія

Моделювання гідроекологічних систем. Залежність модулів стоку хімічних речовин від закарстованості території Криму (курсова робота)

1 КЛАСИФІКАЦІЯ ГІДРОЕКОЛОГІЧНИХ МОДЕЛЕЙ


Всі математичні моделі гідроекологічних класифікуються за наступними ознаками:


– цілі моделювання (імітаційні, прогнозні, оптимізаційні);


– наявна інформація (детерміновані, імовірнісні, експертні);


– рівень складності (прості, складні, ієрархічно організовані);


– об'єкти моделювання (гідроморфологічні, гідрологічні, гідравлічні, гідрохімічні, гідробіологічні, біосоціальні, гідроекологічні).


Модель – умовний образ об'єкту досліджень, сконструйований так, щоб відобразити риси об'єкту, істотні для поставленої мети. Модель не може бути у всьому подібна оригіналу.


Адекватність – ступінь відображення об'єкту, може розв'язуватися лише щодо певної мети. Таким чином, моделювання є вивченням об'єкту по його моделі-заступнику, яка володіє властивостями об'єкту, що вивчаються.


Для того, щоб модель виконувала функцію замісника, необхідні певні відносини подібності, що цікавлять дослідника, між елементами оригіналу і моделі.


1.1 Визначення мети та типу моделі


Та або інша модель завжди має певне призначення, або мету. З цієї точки зору зручно підрозділити всі моделі на чотири види [24, 25, 34, 35]:


1. Імітаційні – що імітують конкретну властивість об'єкту. Окремий випадок (підвид) таких моделей – імітаційно-оціночні (моделі реакції системи при заданій зміні одного або обмеженого, неповного числа однотипних показників). Наприклад, математичний вираз змиву речовин від основних природних чинників – імітаційна математична модель, тільки від ухилу (або ухилу і довжини схилу – імітаційно-оціночна).


2. Класифікаційні – це системи розподілу чогось окремо або по групах. Вони можуть розглядатися поза системними відношеннями, лише під кутом зору їх схожості або відмінності за заданою ознакою (класифікація змитих ґрунтів).


3. Оптимізаційні, або нормативні – це моделі оптимального або нормативного стану системи. В них стан системи досліджується в допустимих (або заданих) межах зміни параметрів, елементів, зв'язків і т.п. Значення оптимізаційних моделей різко зростає у зв'язку з "соціальним законом” по розробці оптимального використання природних ресурсів.


4. Оціночні моделі – це особлива форма впорядкування інформації, яка покликана передавати кількісно виражене відношення (пряме, опосередковане) окремої людини, соціальної групи і т.п. до ступеня вираженості елементів системи, а також визначати ступінь придатності, сприятливості, гідності.


1.2 Обробка наявної інформації при моделюванні


При дослідженні за допомогою моделі можна розрізнити два етапи: перший, коли модель є предметом дослідження, друга – коли стає знаряддям дослідження. В даний час існує декілька способів класифікації моделей за наявною інформацією [24, 25, 34, 35].


1.2.1 Моделювання об'єктів природного середовища


Стосовно моделювання природного середовища зручно скористатися двома основними принципами: способом побудови моделі і методом виразу відношення подібності. Виходячи з цього, всі моделі поділяються на два класи, залежно від способу побудови: фізичні і концептуальні.


Фізичні, залежно від способу виразу відносин подібності, бувають: А.1. фізичні генералізовані, або масштабні (призначені для компактного виразу інформації, наприклад, макет); А.2. фізичні ідеалізовані, є модифікацією оригіналу, яка будучи втілена в елементах однорідного або різнорідного субстрата, побудована відповідно до певних правил, які завжди засновані на теоретичних висновках. Модель, що ідеалізується, має як прообраз лише деякі властивості реального об'єкту. Наприклад: гідравлічна модель, побудована на основі критеріїв Рейнольдса або Фруда; штучне дощування.


Концептуальні моделі підрозділяються аналогічно, залежно від способу виразу відношення подібності: Б.1. концептуальні неформалізовані (фотографія в певному діапазоні спектру, блок-діаграма); Б.2. концептуальні формалізовані – знакові, картографічні, логіко-математичні. Логіко-математичні підрозділяються у свою чергу, на детермінизовані, стохастичні і детермінизовано-імовірнісні.


Моделі типу А.1 і Б.1 іноді об'єднують в одну групу портретних моделей, а типу А.2 і Б.2 підрозділяють на статичні (моделі будови) і динамічні (моделі функціонування).


1.2.2 Обробка інформації і прийоми математичного моделювання в гідроекології


Систематизуючи прийоми математичного моделювання в гідроекології, доцільно проаналізувати вже накопичений досвід в суміжних науках. Цей аналіз можна провести з виділенням чотирьох послідовних етапів математизації [24, 25, 34, 35, 39]:


а) первинної обробки матеріалів спостережень,


б) виявлення простих емпіричних залежностей з використанням математичного апарату,


в) логіко-математичного моделювання,


г) побудови апріорних математичних моделей різного призначення.


Первинна обробка матеріалів спостережень – це прості статистичні методи впорядкування інформації. У гідроекології для цієї мети використовуються криві розподілу і їх аналітичні вирази для віддзеркалення структури досліджуваної реальності.


Спочатку за допомогою простих емпіричних залежностей, одержаних в результаті обробки даних спостережень, описується вплив на змив ґрунту якої-небудь однієї ознаки (наприклад, ухилу), тобто одержували імітаційно-оціночну модель.


Аналітична форма виразу досліджуваних зв'язків має значні переваги перед табличними і графічними формами: вона більш ємка, наочніше, легко сопоставима і, що саме головне, дає можливість проводити розрахунок з певною мірою достовірності. Проте, такі залежності – це лише спосіб передачі результатів спостережень, достовірність цього способу цілком залежить від надійності постановки експериментів і розуміння дослідником самого процесу, його фізики. Якщо процес ще не зрозуміли або зрозуміли невірно, то математизація може посилити помилковість тлумачення реальності. Такі залежності називають емпіричними, або статистичними моделями.


Під логіко-математичною моделлю розуміють аналітичний вираз, що є алгоритмом, який описує реальність з метою демонстративності або проведення числень. В основі логіко-математичної моделі повинна лежати логічна схема, розроблена за допомогою фізичного аналізу. Ці моделі, залежно від строгості фізичних передумов і математичного висновку, називають іноді напівемпіричними, або теоретичними.


Під апріорними моделями розуміють математичні моделі, одержані, виходячи з посилання, що спирається на інтуїтивні міркування про природу реальності (дедуктивний метод), що вивчається, і призначені для пояснення конкретного явища або рішення поставленої задачі.


1.3 Рівні складності математичних моделей


Останнім часом гідроекологія все ширше використовує різноманітні методи моделювання: від простих (карти змитих ґрунтів) до складних, математичних і фізичних (матеріальних), моделей.


Часто піднімається питання про відсутність повної адекватності математичної моделі складного природного процесу. Безумовно, це так. Але якщо створити математичну модель, адекватну у всьому природному процесу, то з її допомогою можна було б пізнати стільки ж, скільки і без неї: складність її виявилася б непереборною перешкодою в реалізації мети. Наприклад, фізики дотепер не пізнали до кінця будови атома, проте це не заважає використовуючи наближену модель, розщеплювати його.


В даний час намічаються шляхи побудови оптимізаційних моделей, які понизять ступінь неадекватності при моделюванні.


1.4 Об'єкти і види моделювання гідроекологічних систем


Один з розповсюджених видів моделювання – дослідження аналогічно. Аналогія як висновок про схожість припускає відносну (неповне) тотожність компонентів і порівнюваних об'єктів. Разом з явними, розрізняють гіпотетичні (гадані) аналогії, які завжди спираються на певний рівень наукових уявлень. Окрім цього, розрізняють і інші види аналогій: групова – аналогія систем, що відноситься до однієї і тієї ж групи: гомоморфна – взаємна однозначна і неоднозначна відповідність всіх істотних ознак; ізоморфна – однозначна відповідність елементів і схожість відносин між ними. При груповій аналогії необхідно встановити приналежність, наприклад, яру, розмивини, обвалу, схилу до групи однотипних. Найчастіше регіонально обмежених об'єктів.


Подібність – окремий випадок аналогії з підвищеними вимогами схожості, тобто ця "схожість, доведена до пропорційності змін”. Строга подібність вимагає, щоб існувала геометрична подібність (пропорційність форм і розмірів), кінематична (пропорційність швидкості, прискорення і збігу напрямів), динамічна (пропорційність руху і сил), механічна (пропорційність відносин між масами) і т.д. На практиці найчастіше користуються наближеною подібністю.


Розглянемо види моделювання стосовно вирішення конкретних гідроекологічних задач.


Фізичне масштабне моделювання звичайно поєднується з тим, що фізично ідеалізується. Сюди відноситься моделювання за допомогою штучного дощування і напуску води.


В даний час шукають шляхи фізичного моделювання гідроекологічних процесів. Проте поки тільки нащупуються ті правила, за допомогою яких можна одержить об'єктивну інформацію. Відсутність критеріїв подібності (морфолого-гідравлічних), аналогічних гідравлічним критеріям моделювання, очевидно, не повинна гальмувати ці роботи.


Враховуючи досвід моделювання руслових процесів, можна вважати, що даний напрям перспективно для вирішення ряду практичних завдань.


Концептуальні неформалізовані моделі мають широке розповсюдження в гідроекології. Іноді під моделлю розуміють словесний опис процесу (якісні моделі). Вони теж можуть бути віднесені до концептуальних неформалізованих моделей.


Великий інтерес, особливо для теоретичних розділів гідроекології, представляють концептуальні формалізовані і в першу чергу математичні моделі. Математику в гідроекології, так само, як і в ін. науках, необхідна розглядати не тільки, як апарат обробки результатів вимірювань, але і як формалізована мова науки, що дозволяє будувати моделі і одержувати з їх допомогою таку інформацію, яку неможливо витягнути з реальності, що вивчається, іншим чином.


2 ПРИЙОМИ МОДЕЛЮВАННЯ ГИДРОЭКОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ


У даному розділі розглядаються загальні прийоми розробки гідроекологічних моделей природних систем [35, 36].


2.1 Постановка завдання


Дослідження часто починається при нечіткому формулюванні цілей роботи. Для уточнення мети дослідження, на етапі постановки завдання необхідно визначити критичні компоненти систем і якісно описати взаємодії між цими компонентами. На цьому етапі роботи виконуються наступні операції:


- ділення системи на окремі компоненти (підсистеми) за ознакою відносної однорідності;


- формулювання цілей моделі, що розробляється, і вибір критеріїв оцінки очікуваних результатів;


- визначення достатності і недостатності вихідної інформації;


- визначення вихідних, розрахункових параметрів і таких, що управляють змінними системи;


- формування переліку можливих варіантів рішення;


- оцінка майбутніх умов (зміни господарської діяльності, природних умов), що включає прогноз змін змінних і відповідних результатів.


Ділення природних систем на окремі компоненти може проводитися по різному, залежно від цілей моделювання. Як правило, виділяються абіотичні і біотичні компоненти, які, у свою чергу, розділяються на морфологічні, гідравлічні, гідрологічні, енергетичні, трофічні, інформаційні, керівні і т.п.


Слід враховувати соціальні компоненти: споживачі, власники, виконавські органи, зацікавлені групи суспільства.


2.2 Формулювання цілей моделювання та ділення системи на окремі компоненти за ознакою відносної однорідності


При формулюванні цілей моделювання слід враховувати, що в загальному випадку, кожен компонент системи в оптимізаційному сенсі, може не узгоджуватися з іншими компонентами. Те ж спостерігається при обліку соціальних завдань: кожна суспільна група має різні інтереси. Тобто, треба виконати ділення системи на окремі компоненти за ознакою відносної однорідності. В той же час компоненти об'єднані єдиною системою, тому вони можуть мати цілі загальні для всієї системи.


Формулювання цілей створює можливість вибору зв'язаних критеріїв, за допомогою яких можна кількісно зіставляти відносні переваги варіантів рішення. Це досягається шляхом послідовного дроблення мети до тих пір, поки не будуть одержані показники (приватні цілі), які можуть бути оцінені або розмірною величиною (наприклад, витратами грошових коштів), або безрозмірними величинами (наприклад, коефіцієнтами значущості).


При заміні одного варіанту рішення на іншій кількісна оцінка показників міняється, і саме на основі таких оцінок можуть бути визначені конкретні вигоди, втрати і сумарний ефект в результаті кожного можливого варіанту. Для оцінки сумарного ефекту рекомендовано використовувати теорію ризику.


2.3 Визначення достатності і недостатності вихідної інформації


З'ясуванню підлягають: існуючі природні і господарські умови; кількість і якість води; біомаса і біопродуктивність; водообмін і водовідновлення; дані, які можуть бути використані для оцінки наслідків різних дій; попередні припущення і поточні плани рішення проблеми; прогнози господарського використання і соціальних умов; наявність місцевих експертів. Може з'ясуватися, що є великий пропуск в необхідній інформації, і тоді визначається область, в якій потрібне проведення додаткових досліджень [34, 35].



2.4 Визначення вихідних, розрахункових параметрів і таких, що управляють змінними системи та формування переліку можливих варіантів рішення


Вихідні змінні можуть бути екзогенними або незалежними, не змінюються при функціонуванні системи. Наприклад, кількість атмосферних опадів або характеристики мережі, гідрографії. Розрахункові змінні частіше є залежними або ендогенними. У ряді випадків вихідні змінні можуть бути екзогенними або ендогенними. Наприклад, біомаса може бути нечутлива до ряду змін, що відбуваються в системі. Якщо ж розглядається вплив яких-небудь умов на продуктивність, то біомаса стає ендогенною змінною.


Значення, що набувають розрахункові змінні, визначаються значеннями вихідних змінних і особливостями системи, які вводиться програмою, що розробляється.


При проектуванні моделі можна управляти певними умовами, тому вони називаються змінними, що управляють. В гідроекології вирішальними змінними можуть бути збільшення або зменшення сільськогосподарського використання водозбору, зменшення скидання стоків, збільшення водообміну, використання оптимальних попусків для нересту і таке інше.


Основне призначення аналізу полягає в отриманні найбільш бажаних значень вирішальних змінних. Для кожного варіанту рішення повинні бути визначені значення вихідних змінних – числа приписувані показникам.


Варіанти можна класифікувати відповідно заданих вимог до системи. Якщо такою вимогою є збільшення біомаси, то збільшення, наприклад, водообміну і якості води буде якнайкращим. Якщо необхідно збільшити біопродуктивність, то окрім збільшення біомаси необхідно встановити квоти на вилучення продукції для створення умов її репродукції.


2.5 Структурне розбиття і моделювання системи


 


Структурне розбиття полягає в підрозділі загальної проблеми на дрібніші приватні проблеми, а моделювання системи – у визначенні зв'язків і взаємодій між приватними проблемами. Розбиття і моделювання не являються однозначними і незмінними, оскільки існує багато шляхів виконання відповідних операцій. В процесі дослідження звичайно відбувається вдосконалення моделі від грубої (першого наближення) до детальнішої.


Один з методів структурного розбиття проблеми полягає в розгляді проблеми в рамках окремих інтервалів часу з ухваленням рішень і оцінками їх для кожного інтервалу (наприклад, роки або сезони року, цикли водності).


Структурне розбиття проблеми може здійснюватися на основі наукових дисциплін: гідрології, гідравліки, хімії, біології та інших. Уявлення про структуру проблеми може бути створено відповідно до інтересів соціальних груп: власників, споживачів, органів влади. Структурне розбиття може бути проведено на географічній основі – виділенні ландшафтних комплексів, елементів мережі, гідрографії. Чим глибше структурне розбиття, тим менша кількість рішень необхідно прийняти по кожному елементу структури і, отже, простіше проводити аналіз. Проте поведінка системи в цілому не визначається сумою рішень відповідних елементів. Чим більше число підсистем, тим складніше визначити роботу всієї системи по роботі підсистем. Звичайно корисно розчленовувати проблему так, щоб взаємодія між її структурними елементами була відносна малою або визначною. У кожному конкретному випадку необхідний компроміс між трохи структурних елементів, що полегшують їх аналіз, і трудністю синтезу цілого по його частинах.


2.6 Моделювання і аналіз


Якщо на етапі постановки завдання одержують якісний опис проблеми, то на етапі моделювання якісне уявлення переходить в кількісне. На цьому етапі виникають функціональні залежності між змінними, і для кожного варіанту рішення і набору вхідних даних визначаються вихідні дані системи.


Аналіз починається зі збору інформації для визначення залежностей між змінними. Ці залежності слід перевіряти на точність і невизначеність. Інформація може бути одержана з літературних джерел, на основі експертиз або за наслідками експериментів, що проводяться самим дослідником.


2.7 Прогнозування умов функціонування системи в майбутньому


Оцінка повинна включати прогнози техногенних навантажень, зміни економіки, зміни гідрологічного, гідрохімічного і гідробіологічного режимів. Очевидно, що в цих прогнозах буде невизначеність, і один з методів роботи з невизначеними даними полягає в аналізі проблеми при різних значеннях невизначених вхідних елементів.


3 РОЗРОБКА МЕТОДУ ОБЧИСЛЕННЯ СЕРЕДНЬОДОБОВИХ КОНЦЕНТРАЦІЙ ТА ВИТРАТ РОЗЧИНЕНИХ ХІМІЧНИХ РЕЧОВИН НА НЕВЕЛИКИХ РІЧКАХ ГІРСЬКОГО ТА ПЕРЕДГІРСЬКОГО КРИМУ З ПАВОДКОВИМ РЕЖИМОМ СТОКУ ВОДИ


В даному розділі (на прикладі річки Чорна) показано як, використовуючи існуючи методики та прийоми математичного моделювання, було розроблено метод обчислення середньодобових концентрацій та витрат розчинених хімічних речовин на невеликих річках гірського та передгірського Криму для дослідження впливу кількості аналізів за хімічним складом річкових вод впродовж року на розрахунок середньорічних концентрацій та витрат розчинених хімічних речовин, при умовах відсутності необхідної кількості аналізів хімічного складу води в продовж року і не виконанні комплексності спостережень за метеорологічними, гідрологічними та гідрохімічними показниками, тобто відсутність щоденних концентрацій хімічних речовин.


3.1 Визначення достатності і недостатності вихідної інформації та параметрів, що управляють змінними системи


Підрахунок винесення розчинених речовин з річкових водозборів робиться на основі хімічних аналізів проб води в перебігу року. Проте, ці дані мають малу інформативність [1], викликану низьким числом термінів спостережень за хімічних режимом. Згідно діючих постанов гідрометстанціям і постам в розділі «Спостереження за хімічним складом і фізичними властивостями води» для річок, що характеризуються паводочним режимом, відбір проб на хімічний аналіз рекомендовано проводити не менше 8 раз на рік в наступні терміни спостережень: під час повені – на підйомі, піку і спаді, при найменших витратах літньої межіні, при проходженні дощових паводків, восени – перед льодоставом і під час зимової межіні [2]. Проте, слід зазначити, що в реальності, і про це свідчать дані на більшості постів, проби води відбираються не більше, ніж 3–7 раз на рік, які до того ж не завжди узгоджуються з фазами водного режиму і найчастіше представляють межений стік [3, 4].


У зв'язку з тим, що відомості про винесення хімічних речовин мають важливе значення при рішення науково-практичних задач, пов'язаних з екологічною оцінкою і прогнозом якості річкових вод, а також представляють інтерес при проектуванні і реалізації водозахисних заходів, виникає необхідність розрахунку середніх добових, декадних, місячних і річних витрат розчинених хімічних речовин і встановлення залежності між значеннями їх стоку та впливаючих на нього гідрометеорологічних чинників (витрат води, атмосферних опадів, температури та ін.) [5 – 9].


Існує невідповідність між добовою частотою представлення даних перерахованих вище гідрометеорологічних чинників і даних про хімічний склад річкових вод. Це порушує вимоги комплексності спостережень по гідрохімії, гідрології і гідробіології, які є основними складовими організації спостережень за навколишнім природним середовищем [10].


3.2 Аналіз існуючих моделей і методів розрахунку стоку хімічних речовин та обґрунтування ділення системи за ознаками однорідності


В даний час в науковій літературі є опис різних методів розрахунку винесення розчинених речовин і встановлення внутрішньорічних зв'язків хімічного складу із стоком води в річках. Більшість з них ефективна в тому випадку, якщо вимірювання виконувалися на всіх фазах водного режиму в перебігу року і встановлені задовільні зв'язки між концентраціями речовин і стічними характеристиками води, що дозволяють визначити винесення іонів [11–13]. У деяких роботах запропонований іншій, статистичний підхід, рішення поставленої проблеми, заснований на побудові кривих тривалості і забезпеченості зміряних концентрацій іонів і добових витрат води (або їх зворотних величин) і інших варіантів статистичного аналізу, підсумком якого є різні графіки залежності між гідрохімічними і гідрологічними характеристиками [14]. Проте, ці методи та моделі дають позитивний результат для рівнинних річок лісової зони, з чітко вираженими основними гідрологічними фазами, але не підходять для малих річок і тимчасових водотоків гірського і передгірського Криму з складним паводочним режимом [15, 16]. Широко використовуються і різні методи інтерполяції виміряних концентрацій речовин. Найбільш точним з них вважається метод хронологічної інтерполяції сплайна [17]. Найчастіше застосовується кубічна сплайн-інтерполяція модульних коефіцієнтів показників гідрохімічного стоку, що дозволяє визначити щоденні, декадні, місячні і річні значення витрати розчинених речовин для двох генетично різнорідних складових річкового стоку – поверхневої і підземної [18–20]. Такий спосіб розрахунку винесення речовин в річці є найбільш обґрунтованим, оскільки окремі види стоку мають однорідніший характер живлення і тимчасову динаміку гідрохімічних показників [21, 22]. Проте, при малій кількості даних вимірювань і складному гідрологічному режимі в перебігу року визначення винесення хімічних речовин цим методом відбувається із зниженням точності розрахунку.


3.3 Уточнення мети роботи з врахуванням критичних компонент системи виносу хімічних речовин


Метою даної роботи є розрахунок добових витрат винесення мінеральних речовин річковим стоком при малій кількості спостережень за гидрохимическим показниками і великому числі паводків в році.


У завдання роботи входить розробка методу уточнення часової сплайн-інтерполяції значень концентрації речовин у річковій воді на основі даних відбору одиничних проб на хімічний аналіз, з врахуванням впливу на процес виносу речовин метеорологічних факторів (температури повітря і опадів) та однорідності стоку в окремі фази і періоди водного режиму (межінь – зимова, літня; паводки – зимові, літні; половіддя – з дощами, без дощів) [36].


3.4 Обробка інформації, схематизація методів моделювання розрахунку виносу хімічних речовин на р. Чорна в пункті с. Хмельницьке та аналіз отриманих даних


В основу уточнення методу сплайн-интеполяции покладене встановлення залежності між зміряними значеннями концентрацій хімічної речовини і витратами води за матеріалами спостережень для певних фаз водного режиму за багаторічний період.


Головні результати розрахунку хімічного стоку методом кубічної інтерполяції сплайна ілюструються на прикладі р. Чорна – с. Хмельницьке (с. Чорноречинське) [36].


У розрахунках були використані дані про гідрохімічний режим річки, стік води, середні добові температури повітря та добові суми опадів за період з 1965 до 2003 рік [3, 4].


3.4.1 Первинна обробка матеріалів спостережень та встановлення емпіричних залежностей


За вище вказаними вихідними даними спочатку побудовано графік зв'язку між відповідними значеннями мінералізації (Мвим, г/м3) і витратами води (Qдоб, м3/с) при відборі проб (рис. 3.1). З цього графіка видно, що чіткий зв'язок між ними відсутній, хоча помітна деяка тенденція зменшення мінералізації при збільшені витрат.


На характері цієї залежності позначився вплив особливостей формування хімічного складу для різних типів режиму стоку, а також його видів при формуванні паводків за рахунок тало-дощової або дощового притоку.


 


Рис. 3.1 – Залежність між Мвим і Qдоб , р. Чорна – с. Хмельницьке


Тому надалі виконана робота по виявленню зв'язків між ними для окремих фаз водного режиму для таких елементів повені і паводків – чітко виражених підйомів, піків і спадів. Проведене ретельне сортування і вибірка даних спостережень для різних фаз і видів стоку, на їх базі проведений графічний аналіз зв'язків між мінералізацією і витратами. Ці зв'язки ілюструються на рис. 3.2 – 3.6, в правих верхніх кутках яких вказані значення квадратів змішаної кореляції (R2).


 


Рис. 3.2 – Залежність між Мвим і Qдоб , р. Чорна – с. Хмельницьке,


на підйомі повені


 


Рис. 3.3 – Залежність між Мвим і Qдоб , р. Чорна – с. Хмельницьке,


на піку повені і паводків з витратами більше 20 м3


Рис. 3.4 – Залежність між Мвим і Qдоб , р. Чорна – с. Хмельницьке,


на підйомі і піку зимових паводків, викликаних відлигою


Рис. 3.5 – Залежність між Мвим і Qдоб , р. Чорна – с. Хмельницьке,


на підйомі і піку літніх паводків, викликаних дощами


Рис. 3.6 – Залежність між Мвим і Qдоб , р. Чорна – с. Хмельницьке,


для спаду повеней і паводків з витратами більше 20 м3


3.4.2 Апріорний аналіз природи одержаних зв'язків та висновки відносно їх використання у розрахунковій моделі


У випадку, якщо витрати води на піках не перевищують 20 м3/с, спад повеней і паводків проходить по тій же кривій, що і підйом.


Характер зміни залежностей відображає динаміку впливу головних гідрометеорологічних чинників руслового стоку, зокрема, його взаємодії з підземною притокою в русла. Майже на всіх кривих мінералізація вод зменшується при підвищенні витрат, що може бути пов'язано з відомим явищем берегового регулювання стоку та розчинення речовин, коли при підйомі рівня води, у зв'язку з гідравлічним підпором води від русла, зменшується бічна притока підземних вод, що мають велику мінералізацію в порівнянні з русловими водами, а також відбувається зменшення концентрації за рахунок дощових та талих вод.


Складна форма кривої на рис. 3.4 для зимових паводків пов'язана із зменшенням мінералізації за рахунок притоки вод від танення снігу і розбавлення ними руслових вод, що мають вищу мінералізацію. Деяке підвищення мінералізації при витратах в інтервалі 10 – 20 м3/с пов'язаний із змивом на початку інтенсивної частини паводку речовин, накопичених на поверхні водозбору [12, 13].


Аналіз графіків зв'язків показує відповідність одержаних зв'язків з реальними даними, підтвердженням чого є квадрати змішаної кореляції, значення яких знаходяться в межах від 0,73 до 0,98, що свідчить про високу тісноту зв'язків.


3.4.3 Схема логіко-математичної моделі розрахунку виносу хімічних речовин


Перед початком розрахунків слід визначити особливості формування хімічного складу підземних вод, які є джерелом живлення для річок в періоди відсутності поверхневого притоку. Підземні води мають найтісніший контакт з найрізноманітнішими породами і мінералами земної кори, що полегшує перехід різних елементів і їх сполук в розчин. В водоносних горизонтах, що залягають знизу, зв'язок з атмосферою мало помітний. Проте ґрунтова волога і верхні водоносні шари більш менш доступні дощовим опадам, що фільтруються з поверхні. Тому їх зв'язок з атмосферою має дуже сильний вплив на формування складу підземних вод – з поверхні Землі в підземні води поступають атмосферні опади.


При вивченні гідрохімічних особливостей підземних вод доцільно дотримуватися їх розподілу за вертикальними зонами, оскільки близькість до атмосфери і поверхневих вод, умови фільтрації і промивання мають величезне значення для формування хімічного складу підземних вод. З усіх видів, на які поділяються підземні води за глибиною їх залягання, основне значення мають води зони активного водообміну (верхня зона).


Хімічний склад вод поверхневого походження, на відміну від підземних, формується під впливом інших чинників – хімічного складу атмосферних опадів, інтенсивності ерозії схилу, наявності на поверхні ґрунтів пилових частинок, що містять легко розчинні солі. Останні чинники залежать від тривалості періоду відсутності дощів і вологості ґрунтів. В таких умовах на початку паводкового періоду із збільшенням витрат води концентрація розчинених в ній речовин зростає, проте для подальших паводків в цьому періоді концентрація розчину зменшується в зв'язку зі зменшенням запасу солей на поверхні ґрунту.


Таким чином, у зв'язку з неоднорідністю процесів формування хімічного складу поверхневого і підземного стоку його динаміку в часі доцільно вивчати роздільно для цих видів живлення. Заздалегідь необхідно розчленувати гідрографи водного стоку на поверхневу і підземну складову.


Для визначення витрат необхідної хімічної речовини, розчиненої водами підземної складової загального стоку, необхідно з відібраних за рік проб виділити ті, які взяті в період формування стоку тільки за рахунок підземного живлення. Результати аналізів цих проб характеризують концентрацію розчину заданої речовини в підземному стоці на дати відбору проб.


Далі вивчається динаміка змін концентрацій заданої хімічної речовини в підземному стоці протягом року і методом сплайн-інтерполяції встановлюються значення концентрацій речовини на проміжні дати між вимірюваннями. Слід зазначити, що при обчисленні інтерполяційної кривої концентрацій речовини необхідно використовувати комплексний графік внутрішньорічної зміни стоку води та метеорологічних показників (температури повітря і опадів). Саме ці характеристики визначають переважаючий тип водного живлення річки. Наприклад, за наявністю негативних температур повітря зимою, в продовж довгого періоду, живлення повністю має підземне походження, а весною, після переходу температур повітря через 0 °С, можливе надходження талих поверхневих вод зі схилів водозборів в русла річок. Окрім цього, аналіз комплексного графіка дозволяє в окремих випадках встановити нез'ясовані сплески концентрацій речовин, джерелами яких можуть бути залпові скидання неочищених комунальних або промислових вод в річку вище створів спостережень за хімічним складом води.


Внесок у загальну витрату розчинених речовин (Rз), що вноситься від різних видів стоку – поверхневого (Rп) і ґрунтового (підземного) (Rґ), ув'язуються наступним балансовим співвідношенням:


Rз = Rп + Rґ . (3.1)


Надалі ці генетично різні види стоку розчинених речовин і загальний стік обчислюються окремо. Для цього, за даними розчленовування гідрографів щоденних витрат води, виділяється поверхнева і ґрунтова складові водного стоку (Qп і Qґ). Значення виміряної концентрації для точок з явно вираженим ґрунтовим стоком приймаються рівними концентрації хімічної речовини в ґрунтовому стоці. За виміряними значеннями витрат води і концентрацій заданої хімічної речовини визначаються їх середні значення Qґ,cеp і Сґ,cеp :


Qґ,cеp = (ΣQґ,і )/n,


(3.2)


Сґ,cеp = (ΣСґ,і )/n,


де n – кількість вимірювань.


Далі для кожної відібраної проби обчислюються модульні коефіцієнти (KQґ,і та KСґ,і):


KQґ,і = Qґ,і /Qґ,сер ,


(3.3)


KCґ,і = Сґ,і ґ,сер .


На хронологічних графіках KQґ,і та KСґ,і , що висвічується на екрані ПЕОМ, проводиться лінія згладжуючого кубічного сплайна, за допомогою якої інтерполюються коефіцієнти KQґ,j та KСґ,j на кожну j-ту добу року.


Добові значення концентрації хімічної речовини в підземному стоці води (Сґ,j) обчислюються так:


Сґ,j = KСґ,j · Сґ,сер . (3.4)


Щоденні витрати підземного стоку води (Qґ,j) обчислюють аналогічно:


Qґ,j = KQґ,j · Qґ,сер . (3.5)


Щоденні витрати винесення підземним стоком розчинених хімічних речовин (Rґ,j ) обчислюються за рівнянням, одержаним з рівнянь (3.4) і (3.5):


Rґ,j = Сґ,j · Qґ,j = KCґ,j · KQґ,j · Сґ,сер · Qґ,сер . (3.6)


 

Прийнявши для поверхневого стоку


 

Rп,і = Rз,і – Rґ, (3.7)


 

а


 

Rп,і = Сп,і · Qп,і , (3.8)


одержимо:


Сп,і = Rп,і /Qп,і = (Rз,і – Rґ,і) /Qп,і . (3.9)


 

Модульні коефіцієнти для концентрацій заданої речовини в поверхневому стоці розраховуються за рівнянням:


KСп,і = Сп,і п,cеp , (3.10)


які використовуються при сплайн-інтерполяції добових значень KСп,j.


Добові значення концентрації хімічної речовини в поверхневому стоці обчислюються як:


Сп,j = KСп,j · Сп,cер , (3.11)


де KСп,j – обчислюються за методом сплайн-інтерполяції.


Отже, щоденна витрата винесення речовин поверхневим стоком обчислюється за рівнянням:


Rп,j = Сп,j · Qп,j = KСп,j · Сп,cеp · (Qз,j – Qґ,j). (3.12)


Таким чином, щоденна витрата винесення розчинених хімічних речовин загальним водним стоком річки розраховується за рівнянням:


Rз,j = Rп,j + Rґ,j . (3.13)


Детальний опис рівняння лінії кубічного сплайна, що використовується для інтерполяції перехідних коефіцієнтів, наведено в літературі [16, 18].



 

3.4.4 Аналіз даних розрахунку стоку хімічних речовин


Ця схема математичного розрахунку дозволила із задовільною точністю одержати річні таблиці підземних, поверхневих та загальних щоденних витрат води та мінеральних речовин і концентрацій для 2000 року (табл. 3.1), в комплексі даних гідрометеорологічних спостережень в створі річки (рис. 3.1) [36].


Таблица 3.1 – Щоденні витрати мінеральних речовин, кг/с,


р. Чорна – с. Хмельницьке, 2000 г.


Наибольшее значение за год – 7,72 кг/с.


Рис. 3.1 – Комплексний графік гідрометеорологічних даних та витрат мінералізації (підземна і поверхнева складова), р.Чорна–с.Хмельницьке, 2000 р.



 

4 ДОСЛІДЖЕННЯ ЗМІННОСТІ КОНЦЕНТРАЦІЙ ТА ВИНОСУ РОЗЧИНЕНИХ ХІМІЧНИХ РЕЧОВИН ЗА ДОВЖИНОЮ РІЧОК ПІВОСТРОВА ТА АНАЛІЗУ ЗАЛЕЖНОСТІ МОДУЛІВ СТОКУ ХІМІЧНИХ РЕЧОВИН ВІД ЗАКАРСТОВАНОСТІ ТЕРИТОРІЇ КРИМУ


На даний час відбір проб води для хімічного аналізу на більшості річок Криму, у тому числі і на р. Альма, яка протікає в південно-західній частині Криму, проводиться лише в одному гідростворі, на р. Альма тільки в смт Поштове. Проте дані про хімічний склад води необхідно знати за всією довжиною річки, що пов'язано з їх використанням для оцінки та прогнозування якості води в господарсько-питному водопостачанні, рекреаційних та інших цілях, для виконання законів України та загальнодержавних програм спрямованих на збереження навколишнього середовища (довкілля) [29 – 33].


Дослідження розподілу концентрацій та виносу розчинених хімічних за довжиною річок Криму, фактично не вивчено, що головним чином пов'язано з відсутністю достатньої кількості даних про хімічний склад води на окремих пунктах спостережень та в цілому за довжиною річок.


Тому, головною метою та завданнями даної статті були розрахунок щоденних концентрацій та стоку розчинених хімічних речовин, за наявними в літературі результатами спостережень на річках Криму, та дослідження закономірностей зміни концентрацій і виносу хімічних речовин (на прикладі мінералізації) за довжиною р. Альма.


Для виконання роботи були сформовані вибірки даних спостережень за мінералізацією в 1965 – 68 рр. – роки коли виконувалися хімічні аналізи води одночасно на чотирьох постах, розміщених за всією довжиною р. Альма, а саме:


1) Кримзаповідник (L = 3 км від початку річки, F = 39,7 км2);


2) вище вдсх Партизанського (L = 25 км, F = 184 км2);


3) смт Поштове (L = 45 км, F = 374 км2);


4) с. Піщане (L = 75 км, F = 633 км2).


Далі методом підрахунку стоку хімічних речовин за генетично однорідними складовими стоку води, представленим в попередньому розділі, були розраховані щоденні та середньорічні витрати і концентрації розчинених мінеральних речовин на цих постах.


Результати цих обчислень дозволили, за допомогою графічного аналізу, встановити закономірності змін середньорічних концентрацій (Мсер, мг/дм3) мінералізації за довжиною р. Альма (L, км) та в залежності від площі водозбору (F, км2) (рис. 4.1 – 4.2) [38].


1 –Кримзаповідник, 2 – пункт вище вдсх Партизанського, 3 – смт Поштове,


4 – с. Піщане


Рис. 4.1 – Змінність мінералізації за довжиною р. Альма


1 –Кримзаповідник, 2 – пункт вище вдсх Партизанського, 3 – смт Поштове,


4 – с. Піщане


Рис. 4.2 – Залежність мінералізації від площі водозбору на р. Альма


Подальший аналіз отриманих результатів дослідження дозволив для р. Альма встановити залежність модуля стоку розчинених мінеральних речовин (rсер, г/(скм2)) від модуля стоку води (qсер, м3/(скм2)) графічний вигляд яких наведено нижче (рис. 3).


1 –Кримзаповідник, 2 – пункт вище вдсх Партизанського, 3 – смт Поштове,


4 – с. Піщане


Рис. 4.3 – Залежність модуля стоку розчинених мінеральних речовин від модуля стоку води на р. Альма


В результаті досліджень, наведених вищє за текстом, встановлені графічні залежності було представлено в аналітичному вигляді лінійними рівняннями (4.1 – 4.3):


Мср = 5,23∙L + 292, (4.1)


 

Мср = 0,61∙F + 292, (4.2)


де 292 – це концентрація мінералізації в підземних водах карстового джерела, з якого бере початок р. Альма; 5,23 – коефіцієнт збільшення Мср, при збільшенні L на 1 км; 0,61 – коефіцієнт збільшення Мср, при збільшенні F на 1 км2.


Зв'язок Rсер і F було виражено через залежність модуля стоку хімічних речовин (rсер, г/(с∙км2)) від модуля стоку води (qсер, м3/(с∙км2)):


rсер = 0,31∙qсер . (4.3)


де 0,31 – коефіцієнт збільшення rсер при збільшенні qсер на 1 м3/(с∙км2).


На території Кримського півострова існує дев'ятнадцять карстових районів в складі яких є чотири типу карсту. Карстологічні дослідження, виконані вченими карстологами в минулому столітті, показують зв'язок між водним режимом річок Криму та закарстованими районами території півострова. Враховуючи це, та те, що орографічна приналежність того або іншого гірського карстового району до відповідних басейнів не виключає можливість переходу стоку під водорозділами в інший басейн, було зроблено припущення, що концентрації та модулі стоку хімічних речовин будуть залежать від закарстованісті та типу карсту на території півострова через зв'язок з модулями стоку води.


Метою та задачами дослідження було отримання вказаних вище зв'язків, та аналіз їх відповідності, що до районів закарстованості та типів карсту в Криму.


В результаті дослідження, з використанням середньобагаторічних даних двадцяти шести пунктів спостереження за стоком води та її хімічним складом, отримано два графіка зв'язку: 1) між модулями стоку води та концентраціями мінералізації (рис. 4.4), та 2) між модулями стоку мінералізації та модулями стоку води (рис. 4.5), на різних водозборах річок Криму [37].


Рис. 4.5 – Зв'язок середньобагаторічних мінералізацій


та модулів стоку води річок Криму


Рис. 4.5 – Зв'язок середньо багаторічних модулів стоку мінералізацій


та модулів стоку води річок Криму


Ці графіки підтверджують дуже тісну залежність мінералізації, та стоку хімічних речовин в цілому, від модулів стоку води (R2=0,94¸0,99) на річкових водозборах Кримського півострова, яки в свою чергу враховують більшість стокоформуючих параметрів, у тому числі і закарстованість території Криму.





Реферат на тему: Моделювання гідроекологічних систем. Залежність модулів стоку хімічних речовин від закарстованості території Криму (курсова робота)


Схожі реферати



5ka.at.ua © 2010 - 2016. Всі права застережені. При використанні матеріалів активне посилання на сайт обов'язкове.    
.