Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Математическое моделирование стока и выноса вещества с водосборов

ВАК РФ 11.00.11, Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Автореферат диссертации по теме "Математическое моделирование стока и выноса вещества с водосборов"

г £ С $ 'А <•••

/

РОССИЙСКАЯ ЛВД1Ш1 ЕАУК

¡ааплут озн?оз?даш

с.с

На правах рукописи УДК [556.16+5С6.535.&+ 556.II] .001.57:504.06

I

КОЭДРЛТЬКВ СзргеЙ Ллекоеепкч

гддалШ'Шжоз ЫО^ДЯКРОЗАНИЕ СТСХА

И ЕШЮОЛ ВЕЦЙСТВЛ С ВОДОСБОРОВ

II.00.IX - охрана окружамцеЗ среди и рациональнее испзльзовааао природных ресурсов

ЛЗТ0?В&Ж1Т диссертация на ооиоканяе ученой степени доктора 4язико~ште:тнческих тук

Саикх-Потербург

1952

Работа выношена в Иксгиууте озвроьедоккя Российской лК

Официальный окпоненты: КАЕ/ИИ Лав Николаевич - доктор ^изико-матвштичвских наук, профессор

¡^ДКЕШШ Геннадий Викторович - доктор технических наук, старший

научный сотрудник ШХ Срий Александрович - доктор физико-математических наук, отар-сшй научной сотруда/к

Бодуадек организация: Московский ордэка Ленина, ордена Октябрьской Революции и ордока Трудового Красного Бнааеая Государственник уяиворсйтэ; ям. М.В.Лоыонооова

Защита диссертации состоится 1992г.

в п /О " часов на заседании специализированного .совета ■ Д 200.Ю.01 при Институте озероведения РАН по адресу: 196199, Санкт-Летарйург, ул.Севастьянова, д.З

С дасосртацчой мокнэ ознакомиться в научной библиотека ^¡статута озероведения.

Автореферат разослан 11_"__1252г. Отзыва,-

заверенные пзчатьг учреждения, в двух экземплярах просим направлять в адрес Института.

Ученый секретарь

Олвдва-изированного Совета, Л^^----/,

кандидат блологических наук Белова К .л.

"л

ОБЦДЯ ХАРА.КТКРЖТЖА РАБОТЫ

Актуальность то:л исследования. В насгпл^оц зреет особо актуально!: являвтсл прсОяоиа сохранения и рационального исисть-зования водных ресурсов. Резко возросло число гэдрозкологичостах "и природоохранных задач, тр«5ующ1х учета, колячостнорной оценкг и прогноза последствий постуц геннл загрязняющих во'лс-стз с водосборов в реки, озера я вод'ххрзг.илицз. Одним из лфТчэк'пшшвс способов реиения указанных задач лрлчется использование :.ivroMjT;i-ческлх 1.!0Л9.':ей, позлоля.л!;юс ля детерминированной основа оппошлть процссон формирования стока, водном эрозии, выноса хг.л:лее:шх веществ с зодооборшк территорий. К числу наиболее ваяшл атечо», ств'зкикх исследог.шй: в области моделирования пропоосод на во,но-. сборе относятся работе. И.А.Еоликоиэва, А.П.Бефдэ, НЛ'.Бе^ня,

A.И.Еудаговского, Л.С.Нушенга, В.К.Демидове, ¡О.Г.Мотозалова, H.A.Назарова, А.Я.йщикэва, В.А.Бельчикмм, В. И. Коренд, В.Ы. Мухина, Ю.Б.Виноградова,.А.Г.Инаиенкв, В.К.Новичксва, М.Н.Сосед-ко, П.П.Корявова, В.А.Григорьева, Ю.К Денисова, II,С.Знаменсг-оГ:, Г.И.Шзебса, Ц.Е.Ыирцхулава, К.С.Кузнецова, Н.К.ЕобрсБицкоЗ,-

B.А.Борзилоза, И.В.Драгояюбоаой, Н.И.Хряеанова, В.В.Сысуева, И.С.Коплан-Дякса, З.В.Иваяищвва. Примером заруЗеашх разработок в рассматриваемой области могут служить модели sis;, srfB, tank, IIIDM, EGMO, SSASH, SV35£, SEM, U3LE, CSU, KINEHOS, КГЕГЫО, FEKHil, HULTSE3, Lesums, iLIEBS, CkEJA'.S, АЛЛ, ACIMO И МЦОГЯв ДругИЭ. Однако большинство применяемых на практика моделей представляй? oodoii разя:пкиз комбинации ограниченного тлела известных а достаточно апробированных часгалх «одолей, списывающих отдельные процессы на водосборе. Разноплановость регаемнх задач, различия в строении водосборов, недостаток ксхедяой информация и отсутствие полного представления об осноеных закономерностях изучае-шх процессов н'е позволит разработать какве-либо единые, унв-ворсалышо модели. Крайне редао удастся иошльзовать созванную ранее модель для решения иовоЯ задачи на конкретном объекте. Автора проектов обычно. предпочитают разрабатывать ообстзешшо варианты моделей.,. более полю учмшзамцие трабованик доставленных. задач и особенности структуры водосборов. В свяэп с этим •возникает необходимсогь создания научно-методической основы и ерздета построения и1г&нттеоягс моделей стока и вшшоа. вещества, лмевдк рациональную структуру, т.е. оркентлрованнн/. на ре-

иеаие коикрэтша задач при минимальной сложности.

Цель я задачи исследования. Цель работы заключалась в х>аз-работко научных осюв аостроеюш мшлексних штематачэсхшх моделей стока и выноса вэ4ества с водосборных территорий. В ходе шослодоватя ршились сдедуэдис? эздачм:

- ооздэнлэ единого г.ошьюгеркогс банка моделе!': отдв;сьньк физических процессов как основного средства построения комплексных моделей водосборов;

- разработка штк.илмчбсккх ыодояе/ для конкретных объектов л проведение иштацяонннх расчетов но оценке кзманечий характеристик, стока и шкоса вацестг.а, вызванных интрэлегенпмли воз-дено'гвпяот;

- стыковка код^яеЗ водосборов с моделями инутриводоемных процессов в раг.ках задач моделирования систем "водосу-водосбор";

- разработка упроценноЛ ыатег,¡этической модели систкл! "во-доэм-водосбор", ориентированной на использование результатов дастанциошшх измерений в качестве входной инуордадаи.

Предмет зациги. На загдиту вцнсснтс-ч решение проблош построения ко;я1локсных ьате:.атлчаских моделей стока и выноса вещества с водосборов на основе принципов рациональной ксыяоновкп моделей огделъннх дкзичоеких процессов, объединенных. в рамсах единого компьютерного банка, а тагае совокупность разработанных кодэлой а результатов их примеаеши для рэшония вадаых практических задач, таких гак количественная оценка и прогноз изменений характеристик стока, водаой эрозии и вшеса химических веществ о естественная, седьскохозлДственаих и урбанизировавши водосборов.

Научная ¡юш'зка работы, Разработан научно-методический подход к построении доыплохешх математических моделей стока V. ваноса вещества с водосборов, предсслагаюций антеракулйций ре-ш конструирования генеральной модели ъ соответствии с требованиями поставлзнноЕ задача, особенностями строения водосбора, наличием л качество.! неходко!; шфорлации', возд:о;;иос'.?ни:] вычислительной техника ь условием минимально}! слшаюотв модели. В рамках проведениях исследований хюлучеян следующий результат, ха-ракторисувщие научную новизну работи:-

- по пучены аналитические реа'енм одномерного уравнения 1:11-нематнчеоко". во:шц и модаак Грина-Эитга, на их основе построй;;;) упрощенная схема расчета характеристик стога, увязчмония почв г. выноса вещества с сользкохозя^ствышю: полей;

- разработана штекатическая поделъ неустановившейся ирригационной эрознв, позву ляская описпватъ прострзнственно-времон" нук> изменчивость расходов ьедн, интенсивности вчитывания л ;.гут— ности потока в поливных бороздах, а такие определять зони ра удава и пэреоглоабнигт выносов в пределах орошаемых участков;

- создана катематячесжиэ модели ряде ва;<сных народохозяйст-веняых объектов, для возорик выношена оцш'/л изменений характеристик стока и виксса вещества в условиях возрастающая антропогенной нагрузки:

- проведено объединение моделей водосборов о моделями пнут-риводое:,пш. процессов, созданы комплексные моде.™ систем "воцо-ем-водосбор", позволяющие прогнозировать изменения качества бо-ды в водоемах под влиянием выноса химических веществ о водо-соороз;

- разработана упрощенная модель систем! "водоем-водосбор", позволяющая опредсотгь трофическое состояние нэизучешпгх я малоизученных малых водоемов по данним дистанционного зондирования.

Практическая значимость работа. Созданные банки моделей и разраеоганное программное обеспечение дозволят1 оперативно и с привлечением широкого круга специалистов решать сле.цущие задачи;

- вычисление характеристик сто:-®, водной эрозии и вшюса хшячеош веществ с отдельных склонов.и водосборов сложной структурн. (естественных, сельскохозяйственных и урбанизированных);

- оценка влияния хозяйственных мероприятий, гак осуществляемых, так и плачируомнх, на изменение стока' к зшсса вещества с водосборов; ' '

> прогнозированию гидрограоюв стога вода, наносив и химических 'веществ;

- восстановление характеристик естественного стока, дополнение рядов наблюдений при прекращении изг»орени";. -

Р^раОсяанниэ ьх>дя>т систел "водоем-водосбор" позволяют рпоочи'кшать' иэменен!:.г ха^к'геристш; вкутряаодоадакх процессов

s .

в газисяь'оогя от дмшшкки посту пташя загрязнений о водосбора, а токае оценивать тропическое состоянко ыаккх неизученных озер [ по даюшм донич'рчрованич аэросфтосшшков подстидаэдей поверх-' косч-и.

■Знадоочио результат»» исолелоганя'Д. Па основании результате} исследовании составлраздели научио-гохничоских отчетов по 15 та,ям нлшюв ¡51? Го&чомгидро:.:8та, ОСйАГ АН, ГГЛ, Института озероведения, в том число по тк.ю ШНТ "Разработать научные ре' коь.ендацип и перечень мероприятий но рациональному использовании водных и других природных ресурсов малых озер ЗТС" (№ roo. регистре иди 01.Ь9.0GGIC5Í).

Разработанная автором упрощенная модель для расчета характеристик увдаження гюад, cjoicu к выноса вещества с сельхозло-i лей использована в "Рекомеядэцшк по обосновании эроз:юино-допу-1 стаих логавьис норм, прогавоэроалонняя мероприятий я расчету стока от естественных осадков" (Кипшэб: лартя ■Молдовэняско, 11'ЭО). Схзыа'оперативного прогнгга доздовнх паводков по даышм радиолокатора, созданная ч соавторство с сотрудниками Ъ) ГП1, пое.иу;;и.'£а основой "?акох(эдацци по использовашно ргдиолокацион-ной инйюркацпа об осадках в оперативней прогнозировании довдэ-Birx наводкой" (Ленинград: Изд-во 3¿ ГГИ, IS87).

ыатз.\итичсская ¡«одаль водзсОсра Северно;! станции аэрации сточных во;; г-.Синкт-Петербурга вои:яа в состав ыакота гидрооколо-гической инфоамлционаой скстеш по водосбору города, разработанного но заказу Центра экологической безопасности РАЛ.

результаты лссаодоэанлй использовались пил организации учебного процесса аа кафедре гидрогеологии и геодезии ЛПДИ, а •гакао в лек.tii.ix не ЗДоду народа tx i;ypcx-: программ сотру;о»ачэст-ia ЮТ 7. 1ЯШ по упрсвлони» озерами

Личний вклад азтота лпссвртахш, , Результаты, опредедяадво научную новизну л практьчаску:з значимость диссертации, л;лучии\ лично ussopotó зь период рабой? о TL.7C п> 1992г. Ряд исскедоэа-' .-¡¿il, кясаи'рхся практического применения созданных иоде.чей, в_ь полнои в соавторстве со соециа ß<ci'a:.:n и: oKcno¿.'B»;eiiia:ышы но-олшдовдь.алц и ;; ¡станционному зоадя^оь&иий, a Tn:cts со оаэциаляс-та. Iii в см&ашх еатаст.тх шделарсванй1*. Зхлад автора в совместен? ■ работы ссстояд кнк в построении кснкоотинх мате:,этических моде-

лей водосборов, так и я рязрпбот!« ')<5aj!x направлении и нриптчпов их последующего использования. .

Апробация |)аС>0'гя. Результат» pov/пч оп.и; долоненп на сгсеп-ях Учокнх cobötof Государственного гидрологического пнстчтута и Института озорогедаыя, ноучно-технечоском совета ВО ITH (Валдай, 1Э8С), научных конференциях BISIII •зокледолич и за'цитн еочя от эрозии (Курок, ISGJ.) и Одесского этдаоакг'шстстута (Одессэ, И'32-1991), всесоюзной кснАэреш'ии "Перспективнее метода плаии-• ратания и анализа окспе^нмаитии при исследовании случайных полай и процессов" (Нальчик, Т£82), псесоизной кеннеролуш "Проб-лени изучения, охрани л рационального использования воднкс ресурсов" (Москва, I9S3), конференции кридуяаЗсгсяс стран но гидрологически прогнозам (Братислава, Чехо-Оловсши, IS84), пятом всесоюзном гидрологичсскок съоздо (Ленинград, ISCG), Мездународ-ном совещании "Рэзвптно теории и методов изучения фор.чиропакчя к уушсционпровапкя лирических слсгал (Денш£град, li/SJS)', всесоюзно;: конференции "Гидрология 2000" (Москва, I9SG), заседании педологической коькссми Гоографичоокого общостзз (Ленинград, IV67), Bcocou3i;ovi се;лшаре "Спутниковая климатология суши" (Москва,. IS07), всесоюзной Конроренлип "Кошгекснои использование, и охрана бодднх ресурсов". (Ленинград, 1068), оовстско-аыэри-канскоа совеазвии ."Кругозорот вода и энергии" (Ленинград, 1989), матчтгународноц совецанпл "Взаимодействие гидрологического цикла и атиоаЗзршх процессов в условиях антропогенного воздействия" (Шопрон, Еенгин,. 1909), всесоюзной конференции "Штематическзо моделпрованиэ в х'идроэкслогяи" (Ленинград, 1330)', всесоюзной конференции "Аитронох'еннио кзмонония экосистем малых озэр" (Ленинград, IS90), тоолох-семянарах "Математическое ыодэяпрованте речного стока" (Зэроново, ISBI; Звенигород, I9CS).

Структура и ofocoi плботи. Лисиеггааштя состоит из'введения, девяти глав,' заключения я списка литературы. Сбидай объем рзботп с'остолляет 301 студни, (у вюичая 5ü рисунков и 15 таблиц. Список лпто!:г>турн ооднргет па именования 2S7 публикаций, из них 103 икоотраяних авторов.

• : соскоки дасл'вди! .

Двелеи'не.

Показана актуальность исследована]! в ооластл х'ззрэботки ма- • геиитиздскпх моделей стока и вшюса вещества с водосборных территория. Приведет» сведения об основных направлениях отечественного V. зарубежного моделирования процессов сто:.<а, зоднол эрогши и выноса хншчоских ведеств. СЦх^здлрованк цель работы и ссиев-ные 11оло.4срлл, винооимиэ на завдту.

Глава I. ¡ЛетодичаскмП подход к постиэешт матема-лгческих .моделей стога я внноса эство'.'т-з с водосборов.

Приступая к создании штаиатичесхол модели стока и выноса вещества с водосбора.необход-ыо помнить о том, что она дояша являться-средством решения лктуальшос природоохранных проблем, доступшш широкому кругу специалисток. Дрездо чем строить ио-доль для конкретного объекта,необходимо провести прпчишо-след-мвешшП янг.лкз процессов, Г'риязадугз« на водосборе, оценить совре;га:шш уровень шмаи »аг. (Т'язпчосклх основ и везможооти генерализации всей рассштривае.о;! скстош с ш>\.ощыо ьатеазти-ческого аппарата.

Б соотвэютъйи'о прадгкаоакш.' меюдочэеты подходом (р^с. I), осношпш факторами, оирод«ш2яыгя1 структуру айтсшютеской кодеяк, является требования поставликной задачи, структура водосбора и условия ф.^алровпш!:-: «здкего, твердого и химического ссох'Я, наличка и качество ¿сходной ашХсрк^нгди, а такхе возможности вычислительной техники.

К члзду средств построения генерализованной модели стока и вшэса ввщоства о реального водосбора относятся банк моделей и база дешшх. Банк иодвлей продставлкзт собой совокупность 'программ , которые роаллзуют частик» :-.]одо,«! есновнщ: происходящих на водосборе процессов ы ыог^чг работать как и комплексе, так и самостоятельно. Вкмчежге. этапе программ в об-дуи Фидель' водосбора осуществляется в интерактивном (диалоговом) ргшле, • Б банке ыоделей когут содержаться неокольце частных ¡иоде''ей дка описания какого иоодедовыя» процесса, отдичаэдиасл по сложите, степени детализации и объе.^' исходно.'; ¿т--Тюхл".оц1и, В заилгшосгя ог требований кошсретлсЛ падачи в расчетах исполь-~ 4 зусгся. как правило, •голг.ко. част;, блоков, составляй:,1их банк

моделей, Базе докних представляет собо.Ч совокупность числовых шсснвов, эеиооешии я хтшль 2Ш и с ¿орыироБакшдс та»:, чтобы ооос.почиюлся простой и оперативный поиск инйор.&циа. Хранение, обработка, задата и вцдача данных дли оах'рузш .да-таштичоскоГ. модели щоизеодигсл. оив'далы'.о разробсташп"! системой управления базой ддыш.

Осношш.гл этапам! создания иата^атичесхой модели стоил к выноса вещества с водосбора .чвлнкггед:

- схематизация структуры иодосборй на основе ррзноцерннх али нерашомерннх сеток, с ;юмощъл синроксппщш аналитическими поиерхкэст;ши, посродсявсл! вдедещш частных воду сборов с учетом гидрол.-ого-даад'кл'гноуо подобия или в соответствии с размещением пунктов измерительной сити;

•- выбор расчетного интервала и шага по времени, исхода из требований поставленной задачи, технических воог.:о:.шосте:1 получения входшсс даннцх, а тают в соответствии с естественно;! измен-' чишеть» спнеызашос процессов;

- построение подели процессов в пределах элементарной площади ила частного водосбора посредством выборе и объединение 6jioit.es, бходшцих в состав банка моделл;

- ма-шлатичоская хоьиоиовха'кктчексной модели водосбора;

- калибровка модолн по материалам натурнкх измерен«:; с целью одоих;сТ'Нкаци15 значений одном нескольких пепзвэотшн параметров; '

- верификация модели на иелаеисуиси материале с целью подтверждения адекватности кодэди/ правильности априорного задания паршетроа, усгсФзшссгз наралатров, определенных в процесса калибров«!;

- включение модели водосбора в качестве составной части в модель более сло;.;ной ¡¡ркродют/ система; .

- прояздеккг имипцисшлрс м прогностически-* расчетов, яо.чучеыю количественных оценок, пкхедащпл. за прэдьлы шзгдах-ол РксюорГАентаяьшй дандшч,

В целях «Т'ор^лпзгдаг процедуры построения киышкшмаЯ модели водоиборь оЛорду.ир оваин с хедалдее ебщаэ принципы. рационально:'! кбглюноики чаетанх моделей, содоргощичся в кокиьютерноу банка и адопткровашасс к процедуре «ыксаси:

- ?оа.тс:отобра-ажио ^изтол-гезгра^ических. цочзенно-

гоэлогвчёотш., огржеямссздис и ткдокн/гшдх условии водосбора. Этот принцип создает основу д»; eu'jojö чаоганх ::одч.тей, огвача»-j;ux KonreoiiïHoii ситуации п оумосгпртда« яродстайлгатли о Qusura iróoi'.ooojn ка аод';оборе.

- Сиипотслшэ c.¡fjk,tj2h ».vv.oïn составу ■/. то'вшптп исодэш деПН!!/., что олредо-'пет ^мкре'люстг. входксП nriijcpr.urju;, уровегъ детализацки мсделл, a va:-.4tí способ гространотиглюн ехетхвзаачи водосбора.

- '¡дойщ'Т. i*. .'ПГ;ор:..'-1у!о'П!ал ргеяопрочность отт-уе.т Слскол :лодоли, аозво.ап ! избо:;-.атъ аз macro услк-негия в ошюа>ш гл-до.;кпк процессов а bówrvun r/роцосс кокс^ру.фалшпш х'онорэлг.-Ии" ЙОДОВ!.

- Соответствии структура ¡.;сдели требования:-! поотаэл-энноЛ змдачн, Oí от пданцю;' тегао ипрододт ур овекъ дегадиза'лия кеде.*» и задаст соотаа я дксфэхчосгь :ш0'>р:гзцка ко шходе модели ила отдельная оо блоков.

- Минимизация олопаости Kot.Tnoiîyei.ioii ысдодз, которая пред. п.'стгас-т .чстльзованиэ нзяби.гее щюспк-чясгннх моделей a рашях

уотансв.теииш: шю требовании из •■moto еодоряадчхея и банке моделей.

- Доступность потребитель), огредоляггяя требования к прог-ря№мо;.!у обеспечокн.о. кодели,"диалоговой систзые'и системе управления базой дантйс., '

Перечисленные прикциин шшются основой выбора и рециопаяь-' ной itoiaiMiOEics раОотоснособшк т.ялексних ыоделой водосборов, состиотствушнх поставяолнны требованиям и реалистично гллюшаа'о-шяс ирояахедецве приреялие процессы. Конструирование модели во-дообора мовех. дровидагьсяс в оотоететвия о «миш огштои-и шо-. нием специалистов без Оэрмяровашм дополнительного программного обеспечения, как это я-ла « делается в больолпетвэ с^чаев. Од- • нако ориентация па сокращение сроке» разрабзтг.и иодалеЗ в раемн-ремпо"круга пр^робдтелй';, нд гл-таг»тлхся спощ'аллстлгй в области !.icv;a;j;poiiauE.4 грогргшнрог.адния, требует создания новях ирег-раг.'.ша средств, з: числу котори-: Ь'&остоя ßesr.<a ».«еделэа и ¿азы • дайте:. Роиенпо .указанно!; иройлал! ешкишхез'рвндшо осутцест-jkmcî в сййзн с аидю&ы р^слространолиом персойальтс. кшаыие-•■роэ тага Ш PC л,abr.;.¡oc'j:2ac< с' га;и. ' • •.• „ '.'. -,

* "РпаПД 2* Млготт« Лу\ПМ"П<ТПГ»И1Ш |>ФПТГЯ , nr.Tmr.Vr аГкГ.ЧТТП ******** • • 'Г" г* Г " « ч. ^ —..

к выноса хк.'личеоклх веществ.

Порзоначальквы этапом создания компьютерного банка моделей явился подоор и освоение отдельных блоков, которые предполагалось использовать при построении компчексных моделей водосборов. По степени сложности, физической обосновашюсти и детализации азучаейпк процессов указедаке блоке (частные «одели) могут быть разделены на физико-ьигедаагичесьие и концептуалыше.

Уравнения, составляющие основу йизико-катештических моделей, оцисшзаш цэустановишэеся движение зоды, взвешенных и рас-тьоренкде веществ а выра.тают изменения количеотвешшх характеристик в зам'сииостя от временной л пространственной координат. Это позволяет учитывать в расчетах изменчивость входных величин ' и параметров так во времени, так и по площади водосбора. Б настоящей работз с использованием физико-математических моделей описывались следующие процессы:-.

Поверхностное стетсавио. В основу исдели полонено одномерное уравнение кинематической. волны (А.А.Бушан, 101)2).

Внутрипочвеннчй сток. Использовалось одномерное уравнение Бусеинеска, вирагащее однозначную зависимость скорости фильтрации от уклона водоупора (АЛ1.Бе|ани,-,1959). .

Впитывание с поверхности почвы. Расчеты выполнялись по модели Грша-Эмптс(8.1'р)щ,т:Эыпт, 13П; ЗЛайддс, 1973).

Вертикальны:! влаголереноо в почвах зоны аэрация. За основу модели было принято диффузионное уравнение влагопроводности (Э.

Чайддо, 19?3).

Водная грозил. Ошсавиа процессов взмыва, транспорта и пе-реотлолвшш почвенных частиц проводилось но уравнения неразрывности движущихся "взвешенных частиц (Д.М.Хартли, 1984; С.л.Кондратьев, 1389).

Вынос химических вбцеотв. В основу подели положено уравнение неразрывности для двгаущейся растворенной прииеси. (3.3.Сысуев, 1986; .1.0.Еремеева, С.Л.Кондратьев, 1986).

. Русловая трансформация, Для описания трансформации расходов воды, переноса к пороотложения взвеоелных частиц, транспорт та растворенных веществ применялись уравнения, аналогичные используем/. в ародвдувдх моделях и учитывающие особенности неустановившегося движения в русле.

Основу концепту а льша моделоЗ сестпвляьт эмпарпчоекпв 2 по~ луэмпиричоские выражения, опиоызагааяо изменения количественных характеристик в зависимости от времени dea учета пространственных неоднородносгей. При этом водосбор иредехазляется в виде емкости, накапливающей, а затем постепенно отдающей поступивший воду и вещества. С поновдо концептуальных моделей описывались следующий процессы:

Перехват осадков растительностью. Б основу модели полоаеяа формула для расчета слоя порехвата осадков л зависимости от типа растительного покрова (P.M.Ли, 1970).

Задерганно води в микродепрессиях рельефа. Использовалась зависимость слоя задержания от уклона поверхности (И.С.Бойко, 1977).

Снеготаяние в период весеннего половодья. Расчеты выполнялись по формулам,опасываащпм таяиао снега, водоотдачу талой зо-дн снегом, водоподачу на поверхность водосйора и водоотдачу водосбора (А.Н.Кидяков,"Н.С.Иэчаева, 1982).

Погори стока весеннего половодья. Вычисления проводились раздельно для лесных и нолевых участков водосбора на основе известных территориально-общих зависимостей (Л.К.Вершинина и соавторы, 1985).

Испарение. Для периода весеннего снеготаяшя применялась овязыБаищая интенсивность-испарения с дефицитом в.тамюсти воздуха (Л.К.Вершинина и соавтора, 1965). Для латне-ссенного периода использовалась зависимость интенсивности испарения от влажности почвы (З.И.Еабкпк и соавторы, I96G).

Увладнение вод пота и водоотдача, водосбора в лотпо-ооенний поряод. За основу модели принята формулы для расчета изменения в raro запасов в зависимости от доли площади, участвующей в 'фор— мирсвании стока (А.Беккер, Н.И.Капотова, С.А.Ковдратьен, H.A. Ливанова, I9G8). ■

Нормирование стога воды. В рамках этой частной модели вц- • ' числились значйния слоя стога с учетом его разделения на быструю (поверхностную и подповерхностную) и медленную (грунтовую) сооталдягацив.(А.Беккер и соавторы, 1988),

Сток, нанооов. Значение мутности novara рассчитывалось в предположении о; ее- соответствии транспортир/щей способности потока. (Современное состс'яниэ'изучения орозяи и-сшгаа почвы, 1985).

и ' .

" • Вшюс химических (биогенных) веществ. За ссноеу модели принята методика расчета средних концентраций подвижных (водорастворимых) я обцих форм йосфора, азота и палия (Методические рекомендации до оценке выноса биогошиос веществ, 1985).

В диссертационной работе в табличной форме приводен перечень зходкнх вели«га и параметров флзккб-штематичооклх и концептуальных моделей, а также возможнее спосоон опрэделзния их числовых значений. _ '

На данном этапе исследовании частные модели, перечнелепные' вше, объединены в два баню моделей (физико-магелатичеоклх и концептуальных), работающих в штерактшшем реаиме и доступных • широкому кругу потребителей. йоркадизовашшй перечень возможных вариантов построения модели определяется диалоговым сце;шрием, я«<аад>'м структуру типа "мои". Предусмотрены также возможности корректировки частных моделей к более, разнообразной их.компоновки с использованием программных средств, доступных разработчикам ба'лков. . .

В ходе работы до освоению частных моделей, составляющих компьютерный банк, получен рлд новых теоретических результатов:

■ - предложена исдифлкацгя уравнения кинематической .волны, онасываюдаа отекание с конических поверхностей вращения;

- получены аналитические решения уравнение кинематической волны при изменяющейся во времени интенсивности водопедзчи;

- паряикержоваиа связь мезд? значениями. ко»5ф!Щиента Фильтрации почвы и давления на фронте смачивания, являющимися параметрами ыоде.ш Грлна-Зьщта:

. - предложен вариант модели поверхностного стока л выноса вещества, учитывавший дас:сротность изучаемых процессов. '

Глава 3. Аиссбацгя моделей.

Апробация ыэделзй, объединенных в рамках компьютерного банка, проводилась на нескольких околариментальннх объектах, харак теризущцхся1 наличием необходимых данных натурных измерений и различными условиями с^ормкрованля. стока а выноса взцеотва. Основной целью выполненных расчетов являлось подтаерзд'энао работоспособности моделей отдельных физических процессов ивнявлени тех сложностей, которые могут возникать пои решении прикладных задач. Ойьоктилм апробации физико-ьатзалтических частиц моделей служили водонепро;цдагл>ая стоковая площадка Валдайского Филиала

ГП: (г.^Залда!:), стоковая площадки экспедиции Института озсровч-допия (Краснодарский кра:0, столовая илогддгл агроиоднобалансэ--вото полигона 3* ГШ (г.Валда:!), водосбор лога Станционного Молдавской воднобалансовом станции (С.А.Кондратьез, 1980. 1581, 1989, 1991). АпрэОацкя кснцептуальккх моделей проводилась на талых окспори.мепга/ъти водосборах порзинского мелиоративного ста-щюнара Института биологии Харслъскиго научного цзнтра РАН, водосборах притоков оз.Ьольаого Ракового (Ленинградская обл.), малых экспериментальных водосборах ¡института гидрологии и гидравлики Словацкой АН ('-ЮР, гЛихаловны), пкепчримзнтальниу. полота: водосборах экспедиции Института озороводекия в КалпннчскоЛ области (С.А.Коздрзтьен, 1991).

На основе анализа результатов апробации гак физике-»®тематических, так и концептуальных частных модолеЯ сделаны' следующие выводи, касакяцяосч возможное те'.5 практического применения указанных моделей для описания процессов стока и вшоеа Еегаес гьа с реальных водосборов:

- модели, составляющий кемпьатеркый банк, адекватно описк-вают процессы талого и докдевого стока,' водио1? эрозии и выноса биогенных элементов со склонов и водосборов;

- практически отсутствует шеяее ограничение на плвдадь объекта применения моделей;

- парамзтры физижс-штештических моделей, значения которых определяются для реальных водссборов в результате калибровки, утрачивают первоначальный физический сшсл и презрадевтея в обобщающие коэффициенты, учигываэдао дискретный характер поворхасс-' тного и подповерхностного, отекания, интегральную эрозионную способность поверхности;

- расчетное количество биогенных веиэстз, смытых с оельско-хозяЗстлзшшх полей, в значительной степени зависит от объема твердого стока и определяется заданием параметров модели, описывающей формирование водной эрозии на склонах;

- рехомоядоэашшэ в литературе значения параметров модадеН в:аосп биогашых вецесгв требулт далънейпег'о уточнения на основе' специальных эксперимента лыез исследований.

.. , При ьоде.одррващш процессов етока и взноса вещества со склонов а клок водосборов 'часто нозиккаууг сгозкостп, связанные с рез::гп,у:.:ены!;енпогн шорохоп"тос.ти.полегялаадай'поверхности в ре-

зулыате разрушения микрорельефа стакаьдциш водами и нарушением водного балансаводосборов за очег выкликивания грунтовых вод или провальной фильтрации до горизонтов, ив дренируемых в пределах расоштршаелмх плодрдей. Цогут бить предложены следующие способы решения перечисленных проблем;

- использование в моделях, описнваюцих поверхностное отекание и виноо вэ'десгва с распаханных склонов, эмпирических зависимостей хоэ'ЭДициеита шероховатости поверхности от стоковых харак-, теристик, например - от слоя стока;

, - введение (при необходимости) в модель малого водосбора дополнительной постоянной или зависящей от уровня грунтовых вод годоподзчи, обусловленной выкляняваяаем грунтовых ьод;,

- уменьшение используемого в расчетах значения площади во-доаЗора г.ри наличии участков с почвами, структура которых способствует формированию безвозвратных потерь стока в прадедах рассматриваемого бассейна.

Глава 4. Построение уНтющемшс печатных схем.'

Численная реализация огшеанннх вшиа ¡.¡оделен проводится, как правило, с использованием ЗЕМ. Однако в ряде случаев для реша-ния практических задач необходимы достаточно простые, инженерные методы расчета' характеристик стою и выноса вецества, не требующие слояной вычгслитодьнсй техники. Такие методу могут быть получены обобщением результатов имитационных расчетов, проделанных по полным уравнения.: и моделям и е результата использования аналитических решений исходных уравнений. ■

На основе обобщения результатов юлитациониых расчетов по модели нзуетановишеАся доздбвой эрозии.для склона единичной ширины построены номэгра'.ьш, вирагяодие зависимости значения массы смытой почвы от значений уклона поверхности, интенсивности и продолжительности осадков ((¡.¿..Копдрасьев, 1983). Таким же образов получена серия х-идрегрвфов докдевых. паводков, расочитшшых для экспериментального зодосбора р.Полоыети при различных значениях интенсивности и продояухталъноо та осадков (В.А.Румянцев, С.А .Кондратьев и соавторы, 1105). Указанные графические зависимости могут служить для приближенноа количественной оцешеи характеристик изучашнх процессов без привлечения ЭШ.

• С использованием решений ыодели Грина-Эмпта получены следующие формулы для расчета параметров искусственного орошения

сельскохозяйственных полей (Л.О.Гэврилиш, Б.В.Шпук, 0.¿.Кондратьев, 1390):

где ■¿г, - продолжительность полива с пнтонсишостыо Я до момента .образования поверхностного стока; Р„о - интенсивность полива, кё вызшзатаюго поверхностного стока и обеспечивавшего впитывание поливной: норш . N при заданных значениях коэ-Тхрициснта фильтрации Кф в давления на фронте смачивания Н^ ; т - пористость грунта; ^о - начальная в данность почвы. .

На основе аналитических решений одномерного уравнения кино« магической волны разработала схема расчета характеристик отока и выноса вещества со склонов (С.А.Ксндратьев, Х9В9)• При выполнении определенны:': условий значения расхода воды в период выпадения осадков (с^) и после их прекращения (££г) могут быть определены по формулам: ' ■ "

где "1.- время начала сгока; tг - время прекращения осадков;

(Ц - интенсивность эффективных осадков; интенсивность впитывания после прекращения осадков; и п. - параметры. Значение • оум.ариого олоя стога Н рассчитывается стадутацям образом;

где I* - длина склока. Аналогичные выражения получены для вычисления х'асходов взвеиедаых и растворешшх веществ, массы смытой цочвы и массы вынесенных химических веществ

Предложенные упрощенные схемы расчета параметров искусственного орошения, а также характеристик стока и выноса вещества со склонов не требуют использования сложной шчиоллтэштй техники для своей реализации. При относительной мата.ытичоской щю-стоте они имеют дсстаточную -.{шичэскую обоснованность, так как получены решением уравнений, ныраглащпх закон сохранения масс двк.с5'щихся-тадисста я примесей. ' '•.

. Глава о. Модель ноустановившейся иттагациошой эрозии.. Зазлюй составной частью работ по проектированию мер. борьбы о водной,эрозией аоча и определений рациональных режимов орошения является создание метода количественной оценки последствия '.ирригационной эрозии, проявляющейся в виде общего смыва о полой нэзамгаутого типа и формирование•зон размыва и ахссуыуляцик внут-

р.ч орошаемого участка. В основу такого метода положена математическая модель, разработанная с попояьзоваянем ■5изшсо-«атэш,ш-ческих блоков и ■ списывайся ноустановпвыееся точение а оросительных бороздах, уалалшзние почш, взмыв,- транспорт к пере:>тло;;;е-н.чо частиц наносов (С.А.Кондратьев, 19^5).

Апробация модели проводилась до материалам исследований окопэдиции ГГЛ на орошомом поло хлопчатника у нос.Старый ¿;кан в Ниноы Казахстане. Калибровка модели по результатам измерение расходов и мутности вода на начальных и конечных участках одной из оросительных борозд позволив уточнить значение параметра в формуле для определения тт>знс;:ор-г:1ру:ищйй способности поток?. В продоосо верификации вгаолнеш! расчеты для нескольких групп борозд, ¿-чспслолеш'нХ'на различных участках оропае..юго пассива. Получена следующая оценка соответствия рассчитанных значении расходов води к мутности ютуриы данным:

& /С а о,^! , 1 = О, Р5 = 81,3 Уо, где 5 - средняя :сьадратичоокая погрешность расчетов; 6" _ стандартное стклодеппс изморенных величин; 1 - коэффициент корре-лцда; Р$ - обеспеченность допустимой логрешюсти. На основе приведенных результатов верификации качество работы мододп признака удовлетяордтекышм. Кроме объема сброса воды и массц с;лытои почш, по предложенной модели удается раесчитнвчть изменения расхода води, интенсивкоста впиищония и мутности по длине борозде, а такие определять зоны размыва и нероотло::;еыия почвощшх частиц, «изичеокая обоснованность исходных уравнений и поло.татешше результаты верификации позволяют аснолюсвать модели, для проззде-чпя последующих имитационных расчетов с целью выбора режимов яо-дяш, вызнвакщих наименьшие сбросы неиспользованной воды и внысс частиц почвы.

Глава 3, Модели акопс-римштелшж водосборов.'

Б прещо'ствуыЕвх г.шш! приведены рззул1ьтаты применения частных моделей для описания процессов стога и выноса вещества со склонов и г цемента рпых водосборов. Однако при решсцая болъ-'шсиа прикладных задач приходится иметь дело с объектами более слоклой структур!'. На основе предложенного методу/ческою иод-хода разработан ряд моделей, амида разяи'шуы-проблемную ориентации и исьояьзуицнх различима способы схематизации структуры поверхности.

Математические модели экспериментальных водосборов лога Знойного западно-туркаснскоИ г/однобалапсовой станции (С.Л.Кондратьев, 1201) к лога Тисглого Тк 7 ¡1 (Н.ИЛСапотова, С.А.Кондра-тьсз, 19СЗ) создали с целью освоения и совершенствования метода построения кэделеЛ по схокс кинематического каскада, т.е. в виде последовательности плоскостей и участков руса, пеустзновпв-иееся стокание с хоторнх отюнгается одномерном уравнением кинематической волни. Цлочрди углзанкнх цодосбороз составляют со-

^оробогинтз с:-:'.';.:'! простпонст-

а).

1\ I I

и-

в).

>>

ответственно С,071 л 0,-15 к..:", венно:; дискретизация чрпшдзны на рис.2. Степень детализации описа-пил поверхности определялась наличием исходной' ин^ермлши о неодно-рсдностях строения водосбора . На основе построении модсле;'; проводились расчетп гидрографов до,.у;овнх паводков, вро-меншо интервала иоде жирования изменялись от нескольких часов до нескольких суток. В состав моделей войди блоки, о1шсш!аа'!Ц1о поверхностное стеканпо со склонов, впитывание води в почте/ и руслову.э тренейорькндо пэвидочноЛ зопгя . Для

т~вул: зодосоора лога Сменного йш проведена калиерспгл с целью уточнения значения параметра I ю^о-.лн^оста подстплэглцел цолерх-носа'п. Модель водэссюра лога Тк:.лиг^ но куада.дась в калибровке, т.к. все лараыО'-'рп бил.! олдлнг. ни оопом н^окцпхоя экспериментальных дашпли ^яетилиш ксрц-ципсхрот ^.одолел на ноз:дш:си*.:э:й иат-ркалс, в результате копмзЛ получелш олодуакко рэзу.ил&г.п лог и-е^нп! - 5/о"= 0,20, 1 о.ы;, Ру = для (¡(кожи с.'О-ка 'Л £>/б' - 0,25, *г = 0,Ы;, Рз - 1а),' А>л инсвашлмвсс'рзсп»-дов; лог Тое::иГИ 0,10, 'С - 0,07, Р5 1и)/ для п^йщ

Гис.2.

Схеш водосОорои .

Н-ГГИ (в) : г - :

, ЗТВВС (я) 1 роиосворп,

I - грешна Сгаков с*еш, 3 - участки

стока к 5/6" = 0,27, г = 0,86, = 100» для максигальных расхо-

"0В а

Математическая модель водосбора верхнего течения р.11оломэти (В.А.Рушнцзв,, С.А..Кондратъев, Н.И.Капотова, Н.А.Ливанова, 19В5) разработана для оценки влияния лесомелиоративных мероприятий на формирование гидрографов дождевого стока, а такие для отработки мэтодичеокюс вопросов оценки репрезентативности наземной оседко-шрчой сети и использования радиолокационных данншс об осадках при прогнозах паводков. Площадь аодосбора составляет 432 км*. За основу схематизации водосбора в отой модели выбрана ячеГша осреднения радиолокационных данных югопрдьи II Зся площадь водосбора верхнего течения р.Полометл покрывается 53 ячейками (рис.3). Для каждой ячейки определен уклон ' в направлении стекаиия и произведена генерализация почво-грунтов . и растительности. Русла р.Полсмети и ее главного притока р.Со-сникки аппроксимировалась пря:.:0линейнш.1и участка™. Брзмепше интервала моде- . лировакия составляли несколько суток. В состав модели были вклнчеиы блоки, олисываивде нодяоверхност-ноо стзкапно, увмшген/о

ПОЧВ И русловую трана^орш- мети (¿32 к*') : I - границу кческ осрадаешя родяо-

ЦИЮ лаводочной ВОЛНЫ. г ПО-■лока10,0нвс11 »"»»Ричии. г - реальяоо русло, 3 - 0X0-

ютаэкроввлмое 17ело, 4 - Граница водосбора.

мощью калибровки определено

значение парамятра, :шрааторизуацого (Т/Ильтрационнне свойства почв, слагающих водосбор. Получаны следующие результаты верификации модоли: 5/6" == 0,32, Ч. - 0,01 03,С^ для об-ьеиов стока к 5./ЙГ» 0,46, "г « 0,Ь5,Ру = 87,5% для какоиыалыик расходов.

¿¡ателигичесаая модель водосбора р.Полометл площадью 22СЗкт^ . (А.Ьохкер, и.И.ланотова, С.А.Кондратьев, Н.А.Ллванозг, ЮВС) предназначена дт использования в системе оиератавногр врогнезп-релзншш дэдцозих паводков по даннт х«адас>лс/саццпш1ах иадсрешШ;:

Рно.З. Схема ьолосбора ьецнего течения р. Паза-

осадков. За основу схематизации структуры поверхности приш:ты частные водосборы, соотвотстг.уцщие гидрометрическим створам на р.Поломета (рио.4). Участки русла р.Полойети в пределах выделенных площадей аппроксимировались прямолинейными каналами. Характеристики поверхности водосбора, речного русла, почвенно-гру-нтовой толщи,значения интенсивности осадков предполагались неизменными в прадедах каддого частного водосбора. Интервалы моделирования составляй несколько суток. Модель скомпонована из блоков, описывающих боковой приток с водосбора в русло, увлажнение почв зоны аэрации и трансформацию паведочной волны в реке. В результате калибровки было уточнено значение параметров модели бокового притока. По датам верификации получены следующие оценки качества работы модели: 5/6-= 0,15,'г = 0,96,' р - _ ддд объемов * ~ ГРа1ш">' ячее* осредненач ргдяояокациошоЯ информация,

с / л он 2 ~ £усЛ0 Реш> 3 - грани» водосОора, 4 - гадрометричее-

СТОКЭ И ->/& ~ 0,«и, кие створ!, 5 - номера частаа вадосвороп.

. г = 0,24, Р§ =27/1 •

для -максимальных расходов воды.

Математическая модель водосбора, оз .Красного (С.А.иондрать-еь, 1У90) разработана в раках исследований по созданию ¡.юдоли систош "водоем-водосбор", позволяющей оценивать существующее влияние вшсса биогенных ведоотв о водосбора за лимничеегде процессы, а та 1с;.а прогнозировать последствия возмоглшх хозяйственных мероприятий. Схема водосбора представлена на рис.5. Расчеты проводились раздельно для лосной а полевой площадей,- составляющих соотвогитоенно 136 и 42 км2, с последу»^;.; суммированием результатов. 'Лнторшл моделирования - с апреля по октябрь. 3 модель вкличени блоки.списывающие снеготаяние, формирование потерь

—.— { -- 2---;3 Н1

Рис. 4. Схема вовосвора р. ГЪлометя (2208 км1) :

весеннего стока, испарение и увлая-нэпие почв в лотне-осеншм период, форкирозанио стока о разделенном на бжтрую п кедлоныую составлкмцие, оток наносов л в иное бя-отеннкх вегдеотв. Проведена калибр-ов-ка ь-.оце.та с цзлъв определения значений параметров, характер« зущих интс—

<г л\

pKpaa<crt \

— i СП',

ISS3

Ргс.5. Схема водосбора оз. Красного : I - гранит водосбора; 2 - лес; 3 - сельскохозяйственные угодья.

нсквнссть нарастания и спада быстрого и медленного стога. Верификация модели выполнена по данным измерении в замыкающем створе. р.Страшшцы, являющейся основным притоком оз.Красного. Получены следующие оценки: S,/<f*- 0,G5, = С,7Г, Рд--- 70,6'j для объемов стока и 5/£г = 0,71, Z = 0,?4, Pj- = 77,8,С для максимальных расходов.

Математическая модель водосбора северных районов г.Санкт-Петербурга (С.З.Грибин, С,А.Кондратьев и соавторы, KSI) позволяет рассчитывать характеристики качества сточных-вод, поступаа-l'uoc в Невскую губу при нормальной работе очистных, соорулений Северно:'! станции аэрации (СОЛ) и в условиях аварийных сбросов части ноочщенних стоков. Схома ' водосбора ССЛ, имеющего пловддь Ш к .г, приведена на ркс.6. Основу схемы составили два водосбора, соответствуагдие казализационии.1. сетям Выборгского и Цршор-: .■ сг.ого районов и зачнканциеся на главный коллектор). Временной интервал расчетов - 3 суток. 1Лат«»/атичвская модель вкиачает в себя блоки, описываете формирование талого и дездевого стока, трансформацию расходов в какализацаошкх сетях и в главном коллекторе. Вынос загрязнявших вощестз (взвелошшс частиц ШС5, Ш^ц, . ХГЕ, (fH^.WOî.kîO - ,РО,,Ре ,Cu .Ст, ,Hi ,Zn,Pf> ,Co,Cd, Mn ) расочипгваяся, исходя из условия относительного постоянства их Kniii',o:rexxtr;:ii на входе и выходе очистных сооруконай при лорг.иль-нс!1 работе. Золи расход води на ькдо ОСА' нреюи л предельное

значение П,бы3/с, ю считалось, что нзличек сточных под не проходит очистку и, скопи-ваясь с очищенны-г.ш водакн, йсрьш-руот аварийны;! сброс. Прозэденз калийрошса г,годе- ■ ли, в .процеосэ которой уточнэнк значения коэффициента регулировщик стока и параметра, характеризующего интенсивность нарастания и спада быстрой состаЕля-;оцен стога. 3 процессе верл<;ш-' кащиз .модели выполнялось сравнение измеренных и ро.еачит.лнж росходои вода на входе С СЛ. Получены о.ге;гу:х'до показателе кочествз раоотп ?,юдоли: S/5" = 0,75, 'Г. = 0,71, Pg- == G3;î для .¡еоокнего снеготаяния, S/Ç = 0,45, v 0,57, ш 82^ для летык. шводкоз.

Передне легсше когжяексние математические, цоделп представляют собой практнчзскум рвалзаацгсо «еюдачоского подхода, исцо.ть-зувк;эго прлншсаы рашокшано^ ко1.лс»$овки ьсделел. Вонросг кх далънениего применения з;ра проведении пмчтзцконцж расчетов и в качеств? сэставньк частей ысколо;» белое сложна: сиого:. изложзш; в шсяс.щ'я^ик главах. , ■

Б ргмках настоящего исследования .ясолшин дао раоотл, о ья-'звание с объединением ;,:о.це;;oli ьодесОера г. ж,доели а одвдуи :,г.а'со-иатическ;/:; модель. Объежгакя, дун которих соп.ча:йллсь уоглл к.\.:-

кыиемов.

плеконые модели язилиоь og.Красное и его водосбор, а также северная часть Невской губы и водосбор северных районов г.Санкт-Петербурга.

Математическая модель оз.Красного и его водосбора, разработанная совместно с сотрудниками лаборатории гидрофизики Института озероведения, предназначена для количественных оценок влияния существующего выноса биогенных веществ с водосборной территории на гидрохимические и гидробиологические процессы в озере и для прогнозирования последствий интенсификации сельскохозяйственной деятельности на водосборе. Как показано на рис.7, модель состоит из двух основных частей. Это модель водосбора о-з.Красного (С.Л. Кондратьев, 1991.0 к модель мелководного водоема (К.Д.Крэймая и соавторы, ISS0). Предварительная калибровка модели выполнена по материалам 1670г. Результаты сопоставления измеренных и рассчитанных значений концентраций минерального црефорэ в озере, й также биомасс фито- и зоопланктона показали, что модель вполне реалистично описывает динамику изменения основных характеристик изучаемых процессов в системе "водоем-водосбор".

Математическая модель северной части Невской губы и водосбора северных районов г.Санкт-Петербурга, разработанная совместно с сотрудниками лаборатории математического моделирования Института озероведения, предназначена для расчетов биохимической трансформации загрязняющих веществ, поступающих с городских тер^-риторий на мелководье в виде локальных сбросов больших объемов . очищенных сточных вод. (¡хеш модем. приведена на рис.8. Для описания выноса загрязнителей с северных районов города использовалась модель водосбора СОЛ (С.В.Грибин, С.А.Кондратьев и соавторы, IS3I). Оценка разбавления и биохимической трансформации во- • щеотв а шлейфа сточныс вод, образующихся на мелководье, проводилась на основе модернизированного варианта модели водной экосистемы FINEST (К.Киинунэн и соавторы, 1569). Анализ результатов применения модели показал, что для условий мелководней части Невской губы удалось получить устойчивые значения характеристик качества воды, соответствующие реальдва данндм измерений.

Верификация моделей систем "водэем-водосбор" требует црово- ' . дення специальных натурных зкеперимеятоп и остается делом будущего. Том по менее сам ("сакт объединения моделей водосборов и мелководных водоемов является положительным результатом настоя-

Рис.*"/. Схема матсматаескоЗ модели системы " всаое^-'вадосйор " оз. Красного»

МЕЛКОВОДНАЯ АКВАТОРИЯ , I конп«^.-'

________________ _____._^ ! ста

I Д8ТР1М.

Рже. 8 » Схеод матекатаческой модели сжстекы " водосбор г.С.-Петербурга - Невская губа"»

щей работы я может сялйать основой для проведения посчедующа экспериментальнах и теоретических исследований.

Глава 8. Имитационное моделирование.

Сложность, высокая стоимость, а часто и невозможность постановки натурного эксперимента делают имитационное моделирование элективным средством принятия научно обоснованных решений, в:;-Х.0ДЯ1ДИХ за ранки экспериментальных исследовании,и выбора оптимальных режимов использования водных ресурсои.

На основе результатов икитационянх расчетов по модели неустановившейся ирригационной зруз»:и выполнена оценка -последствий возможных изменений ре-кима орошения (САКовдратьев, 1985). Для рассмотренного поля х/опчаткика показано, что увеличение расхода оросительной води ís 2,5 ра'за приведет к увеличению с?лкв» иочаи •в I2,ö хаз/Возрастание мутности оросительной воды будет способствовать уменалшим зон раз;, л ва. Если значение начальной муткос-ти прэвыог: 2CG г/м3, поступление наносов с оросительной водой компенсирует вынос почвенных частиц.

На примере водосбора р.Полокети показано, что вызванное мелиорацией понижение уровня грунтовых вод от 0,3 до I ы как на всом водосборе-,, raí: и на отдельных его частях, мокет привести к снижения ^йкегмалылк расходоз я обьемоп стока на 25-30/1 (К.И. Калотовз',, GlA.KoftjipaTieB, Н.А.Ливанова, ISB6). Вырубка леса ка этом ке водосборо,- осуществляемая в соответствии о'рекомендациями по воденйм-лесного- хозяйства, вызова? существенные изменения характеристик стока'.- В- период вырубок возрастут значения максимальных расходов и объемов стока до 70-91$. Через 50 лет мо::шо ожидать' снижения1 указанных:: характеристик на 50? по отношению к глрвопачйлышй значения:.;.- ПОмйб восстановление стока к гидроло-; гического режЧи водосбора- Произойдет к сотому году после вырубки,

С использонш;:егл ;>.одвли водосбора р.Поломети дана оценка точности рйсч??п рзеходоэ г,ода в замыкавшем створе в зависимости от количества и расположения осадкомэрных приборов (В.А.Ру-мяндев, С.А.Ковдратьев, Н.И.Капотова, H. А.Ливанова, ±ЗЙ5). Критериев оценки явилось соответствие фактических гидрографов стока и рассчитанных по даннш различных осадксмсзрных сетей. Показано, ч-.с при увелхчоина. числа -яоадкомерсв с 3 до 48-на водосборе пло-чэдьм 432 Ksr, отиооагегеаия погроачостл.расчетов уменьшатся'в , -.

3-5 раз н на превысит 30-60/1.

По результатам имитационных ¡/ счетов для водосбора сз.Красного пслучекн ноличзстаенние характеристики вкноса биогеннцх веществ при интенсификации сельскохозяйственной деятельности, царапающейся в увеличении поленте площадей и дополнительном внесении удобрений (С.А.Кондратьев, 1290). Двукратное увеличение полевых клоцаден комет привести к возрастании киноса общего ;{>ос Jopa на 43-55/5, общего озота - на 20-25$. Дополнительное внесение удобрении на полевые участки в размере Ю' кг/га визевет узолкче-ние выноса общего ■¿юсЛора от 5^-при внесении удобрений осоььа под всп?.л;ку-до SoGüí-np'.! внесении весной по таяь'.о.лу снегу. Диапазон возрастания выноса обс'его азота состав:'.? 2-I2C;¿.

Для условий оз.Красного выполнена оценка изменений характеристик внутриводоемнчх процессов, вызванных антропогенными изменениям водосбор. Увеличение дозы внесения ¡¿»офэрних удобрении для полевых участков водосбора на 35 кг/га шкет привести к возрастании концентрации минерального фосфора в озеро на 1Т>-20 ыг/л, что но сравнению с существующими в настоящее время концентрациями составит 80% для весенио-летнего периода и 30-7ÜJÍ для осеннего. • '

По «¡одели водосбора COA проведены расчеты выноса загрязчдд-цих веществ в Невскую губу при условия увеличения площади водосбора за счет подключения канализационных сотой Петроградского района (С.В.Грибин, 0.А,Кондратьев я соавторы, I¿91). Ka примере дождевого паводка, сформированного осадкам; однопроцентной обеспеченности, показано В1>змо:етое возрастание притока нэ очист-шэ соорулх-ния на 25-30;.' ь начальный период тведка. Количество выяееешгах загрязнений в этом случае увеличится, от 2 до 14^ по различным конпонактам. На основе обобщения результатов имитаци-онног'о моделирования получеки графические связи ыеяду ¡.'.аксима-льньш значениями интенсивности и продолжительности осад,ков, по ьааша;з:(йх аягрилного сброса чаем кеочжэннж еточысс вод. Указанные гра^лни позволят» ярагаознризать фкт н.!л::ч:1я или отоут-CTTtKa аыпилиого сброса при оудбегоушюй пропул'лои способности очистннх ооорушодЗ, а гавго лрк порспоктивао:! за уролт'ааин пи 50 к 100%.

С нодокьзте окиси подели систорл "водосолр СОХ - йогская губа" рассчитана характеристики '.ачсства под:: в i рнб^л.зюн мелководной зоне в условиях аварийного сброса части ноочим>'-и:псс сточ-

ннх вод, шзивагнцэго многократное увеличение 1со;гцс1хтрзгц;11 загрязнителей в точке виду ска. Но данным моделирования обилие бот-генов мояег привести к развитию фато- и зоопланктона, биомассы которых дозтигнут 30 г/м3 через 6-5 суток после выпуска. Влияние аварийного сброса перестанет опушаться в двилущемся обьеые жидкости через 15-20 суток.

Приведенные в настоящей главе рззултатн достаточно наглядно показызают возможности имитационного моделирования в случаях, когда натурные исследования дороги, трудоемки или невозможны. Достоверность сценок, получении на основе пыдтациокпнх расчетов по детерминированной математической модели, зависит от степени ее апробации на имомпдахся данннх экспериментальных набладениЛ и адег-вагасотк выражения предполагаемых изменений внешних воздействий через изменения входите величин и параметров.

Глава Ксгюгазование данных дистанционного зондирования.

Большинство существующих моделей водосборов и систем "водо-ом-водосбор" ориентировано на использование результатов наземных (контактных) измерений для определения значений входных величин.-л параметров. Однако яри решения задач, гребущих учета пространственной изменчивости полей исходкнх данных и формирования соответствующих баз данных,результатов наземных измерений, как правило, не хватает. Информация, получаемая дискретной наземной сетью с нерашоиэру.оа плотностью а нэодлдаковой точностью измерений, мсслэт быть дополнена данными дистанционного (нэконтакт-. ного) зондирования. Как показывает'опыт последних лет, использование дистанционных данных при моделировании процессов в системе "водоем-водосбор" позволяет не только существенно расширить область практического применения моделей, но способствует совершенствования средств и методов нэкентактних измерений. В райках насго.адего исследования разработана упроцоклая иате;.;ати- ■ веская модель систем: "водоем-водосбор", ориентированная на ре-', аультаты де;шфрир(>вэния аэрофотосъемки подстилавшей поверхности, а яагасо предложена методика прогноза доздэвнх паводков иа основа построенной ранее- гидрологической модели водосбора с использованием радиолокационной шфюшации о полях осадков.

/проченная ю тематическая модоль системы "водоем-водосбор" предназначена для льиОлкязшой оценки трофического состояния

водоемов, расположенных в неизучоншж п калол.чученкнх ро-

гионах ¡C.А.Кондратьев, I3W.). К числу параметров системы "водо-ем-эодосбор", определение которых по фотоснимкам не составляет большего труда, относятся .'.юрфометричоекпо характеристш:и водо-обора и озера, площади структур подстилающей поверхности, различающиеся по типу растительного покрова, почвам, способам сельскохозяйственной обработки. Ограничение состава исходных; данных результатами дешифрирования аорофотоснимков в значительной степени определило структуру модели. Не основу составили достаточно простые математические выражения, но учитываюзре сезонную дакаиику изучаа<гах процессов и позволяющие рассчитывать только среднегодовые значения волоса фосфора с водосбора W , фосфорную нагруаку на озеро С и концентрацию общего фосфора в озорной воде С,:

где М - норма стока; F¡, и С[- плэтди ландафтных структур водосбора и концентрации фосфор« в стоко с них; F0 площадь озера; IГц - кажущаяся скорость осаэдешш (const); Ь - средняя глубина озера; 9 -показатель yoioBnoi'o водообмона. Кроме информации о пличадях озера к выделенных ландшафтных структур водосбора, получаемо?! по денпим ааро£>отосъо',кн, а модели кеггользо-валисъ территорияльно-обциэ зависимости aíi расчетов яормы стока, концентраций общего фосфора в стоке с различных частей водосбора, средней глубины osepa и показателя условного водообмена. Апробация 1/.0Д0ЛИ выполнялась при участии специалистов Института водных проблем Севера КНЦ РАН для трех групп озер, расположенных в Восточной Латвии (Радушсков, Грииаискоэ, Илзес, Лапийтис, Лаборжс-кое, Удринка), на Карельском лрреяейке (Красное, Малое Луговое, Охотничье, Нахимовское, Борисовское, Снетковское, ьичуринское, Еэлыаос Ракозое) и в Карелии (Мукозеро, Пертозеро, Лшыенское, Святозсро, Пелдо.хскэо, Крошнозеуо). Б II случаях из 20 различия иккду .рассчитанными и изморенными кониеитрацчяыи общего фосфора е в'одоешх составили мпнее 50}' от соответствиях измеренных значений.. 5 12 случали правильно опрздетен трофический статус ооера. Полученнно результаты следует расценивать как первый цаг на пути создания штемамческих моделей систьЛ "водоа.'.-во?,о-сбор", орпешл'ро.шрннх в лерву.о очередь ив . ¡-зопашм ,vi>mrc неконтактных изморенк?.

Возг.!о;,шостп методов дне санцксшого совдцкхвашп но оперативному изг.оргчгао пространств ¿иных хэрактериотпк осадкоп спал;-

зованы при построении иетодши прогноза доэдовых паводков, разработанной совместно о сотрудниками М Ш1 (Н.А.Ливанова, H.H. Капотова, С.А.Копдратьов н соавторы, К87). Предложенная методика апробирована на окспердыентальнсм водосборе р.Поломэтн площадью 220С к;.:2. В качества основи для проведения прогпостичемсих расчетов использовалась математическая модочь указанного объекта. Общая схемы оперативного прогноза дслдевих паводков приведена на рис.&. К моменту выпуска прогноза, И!,.оющего заблаговремен-нооть 6, 12 и 24 часа, по модели водосбора рассчитывались значения антонсилности бокового притока в русло и расходов воды в рэ-ко. При этом в качестве входной информации об осадках попользовались дакннз радиолокационных измерении. Затем рчсчйты продолжались на основе прогностических значений осадков. Результаты апробации прздложенной кетодики показали, что хорошее качество прогноза расходов води г.ккет быть достигнуто при использовании вероятностного (^/С - 0,36, т. --- 0,96, P¡ - 94;!) и синоптико-гидродинамичеохого ( s/s~= 0,48, t - 0,¿ü, P¿- -- 90$) споообов прогноза осадков. Опыт оперативного прогнозирования дэводкое на водосборе р.Пглоьгети без привлечения радиолокационной информации показал неприго.щюсть такого прогноза, т.к. в этом случае коэф-

фициент корреляции измерение и рассчктаннцх расходов составил 0,34.

Рассмотрзшшв задачи отражают два основных направления практического применения данта дистанционного зондирования при моделировании процессов на водосборах и водое.-.ых. Ото су^оотлснное расширение баз данных, необходимых для пслолъзинения математических моделей в неизученных и мзлолзученннх регионах, а такпэ уточнение и дополнение результатов наземнчя измерений за счет оперативности получения а детальности списания пространственной структуры полей исходных данных. Седчас исследования в указанных направлениях еде немногочисленны. Однако не вызывает сомнений перспективность в плаке расширения области практического применения, и взашяюго совершенствования методов штешглческпго моделирования и дистанционного зондирования.

Заплачен!'о.

Перечислены результаты, составляющие научную новизну и практическую значимость работы. .

Основные положения диссертации опубликованы в следушцих роботах:

1. Ранение уравнений кинештлчэской волны при осадках переменной интенсивности. - 3 кн.: Вопросы гидрологии суши, Л.:Глдро-метеоиздат, 1978, с.46-4.0.

2. Математическое ыоделчроваяяе'в гидрологии. Кипемзтико-вожсвая модель «слонового стока. - Гидрометеорология, 1979, внп.1. - 50 о. (соавтор В.А.Румянцев).

3. 03 условиях совпадения решений уравнений Сен-Ванана и кинематической волны. - Труда ГШ, 1980, вш.^64, с.32-41.

4. Описание склонового стока с помощью двумерной дпнеыати-ческо:! иодэлл. - Труды ИМ, 1980, вып.264, 0.42-54.

5. К вопросу мсделироаашы внутряпочзопного стока. - В кн.: Зокросы гидрологии суш!, Я. :Гидромзтео1!зда?, 1980', с.62-Г.8.

6. Ясползоачшэ .радаслокадиоялих детшнх. в гидродинамической «одели дождевого стока с раслредзлелш'лн параметрами - .Метеорологии л гидрошгня, Г.'Ы, :) 3, с.В6-с-2 (соавтор 11.А. Ру..лицеи)

?. .¡этат'ичоская модель стоаа води и взведеинг-х наносм? со склонов, учитиш1>-$ая дпскретнсста сге^еаняя. - 11 ул.: Воиросн гид-рсаог'ин су ¡си, Л.:Г;:дрс^еоиздаг, 19Е:2, с.ЗВ-12.

В. Опыт разработки модели .рэршровашн'. <.;'..'<.>•;< с

распределении:.® параметрами. - В кн.: Проблем современной гидрологии, 31. :Гидрометеоиздат, 1933. с .62-10[ (соавтор В.Д.Румяк-цев).

D. Однт применения гидродинамической модоли формирования доадевого стока для расчета дгаздэвых паводков на лесном водосборе. - Труды ПК, 1983, вып.269, с.30-36 (соавтор Н.И.Капотова).

ТО. Опыт расчета дождевого паводка на рЛоломети по данным радиолокационных измерений осадков. - Трудк ГП1, 1983, вш1.289, с.36-45 (соавторы ii.Л.Ливанова, А.А.Капотов, 0.И.Толщина, В.Н. . Осео).

11. О построении математической моде,ли склонового стока к смыва. -Метеорология и гидрология, 1983, к II, C.76-K3.

12. Использование радиолокационной инторыации об осадках для прогноза гидрографа долевого стока. - Метеорология к гидрология , 1964, ,v II, с.92-101 (соавторы Ц.А.Ливанова, Н.И.Кало-това, И.А.Тсьева).

13. Оицт разработки и применения математических моделей бассейнов малых рек. - Л.:Гидрометеоиздат, IS35. - 93 о. (соавторы В.А.Румянцев, Н.И.Капотова, Н.А.Ливанова). (

14. Оценка последствий ирригационной эрозии на основе математической модели формирования стока води и наносов, - Метеорология и гидрология, 1983, Я 3, с.97-104.

15. С построении математических моделей бассейнов малых рок. - В кн.: Вопроси гидрологии суши, Л.тГидронс-т еоиздат, I9G5, с.132-133, .

1С. Математическое моделирование ирригационной эрозии. -Труда 1ТИ, 1583, выл.313, с.75-84 (соавтор К.М.Зубкова)

17. Вопроси моделирования выноса фосфора с поверхности сельскохозяйственного зидоейора под воздействием доздевсгс. стока. -В кн.: Моделирование в агопзрименталышз исследования гидрологических процессов б озерах, Л.:Наука, I9BG, с.СБ-70 (соавтор А.О.Еремеев!).

IB. Опят создания модели речного бассейна с использованием радиолокационной информации ой осадках. - Труды ПИ, 1986, выи. oil, c.42-G8 (соавтора Я.И.Каиотова, А.А.Капотов, П.Д.ЛкианоЕа).

19. Использование математической модой для оценки влияния лесомоднорациа :;а формирование гкдрографов доадовызс паводков (на примере рс::н Яоломати). - Труди ГШ, I9GG, вил.315, с.оЗ-90 (соавторы Л.И.КапозоЕа, Я,¿.Ливанова). ,

20. Рекомендации по использование радиолокационной информации об осадках в оперативном прогнозировании доядевых паводков. - Л.:Кзд-бо 335 ИМ, 1937. - 55 с. (соавторы Н.Л.Ливанова, Н.И. Капотова, К.П.Герасимова, К.Л.Чешева).

21. Гидродинагличсская модель ооршрования стога взвезенных наносов в период, доадошос паводков. - В кг.: Вопросы гидрологии суки, Л.:Тидромотеоиздат-, I98C, с.123-128 (соавтор Р.М.фленчук).

22. Математическая модель процесса формирования до.тдевого стока с речного бассейна, предjiaзначенная для использования ь системе сцератиьногс/ прогноза даиш паводков, - Труды ГГИ, ЮЕ8, ми.331, с.З-1'й (соавторы Д.Ееякер, H.II.Сапотова, Н.А.Ливанова) ,

23. Гидродинамическое моделирование водноэрозиопшя процессов на склонах и малых водосборах. - 1'рудг: 7 Всесоюзного гидрологического съезда, Л. :Гидрокетеопздат, ISB8, том 10/2, о.134-141.

24. Опыт приме;/еяия математической модели речного бассейна для прогнозов'дождевого стога с использование.'! радиолокационной информации об осадках. - Груда У Всесоюзного гидрологического съезда, Л.:Гпдрометео;:здат, I9G9, т.7, C.IS3-I90 (соавтора Н.А. Ливанова,. ПЛиКапотова).

25. Матег/имчесяоо моделирование формирования стока и водной эрозии на калом сельскохозяйственном водосбора, - Водите ресурсы, 1989, У-' 3; с. 14-22.

26. Матежагическоо моделирование формирования стога с водо-сбороз малых озер лесной эЭны - Метеорология и гидрология, I9S9, J3 10, с .96-103 (соавтор ¡{.К.Воронцова).

27.-¡/¡атекатичеокал модель ¿юршреванил стока малых рок лесной зоны. - Труды ЛШИ, ICC9, вып..103, с.32-38 (соавтор Н.К.Воронцова ).

. 26. Рекомендации но обоснованию эроэяоето-допусткмкх поливных норм, противоорознонных ¡леооприятий и расчету стока от естественных осадков. - Киоие»: Картя )/1оддозеняскэ, 1990, - СЗ с, (соавторы А .О.Гаврилида, 'З.З.йаиук).

.<¡9.' Оц&й'« b03iv,c;:c:ii>: антропогенных изменений стока и выноса бзогадте: ьмшчоз с шлих водосборов лесной зонн на основа ¡и-шзхчто&о'л модели. - Водные ресурсы, 1930, 3, о .24-ОЙ.

30. Ошт :(рн;/,онсния наттатической шде;ш дм: оценкн вл;ы-

ння урбанизации на сто?: доядеинх паводков. - В кн.: Вопросы гидрологии суш, JI,:Гвдрометасш5дат, ÏS9I, с.3-й (соавтор Л.С,Федоров) .

31. Мзтактическое моделирование стога, водной орозни и выноса хикпческих веществ о малых водосбороз. -• В ick.: Современное состояние малнх рак СССР и пути их использования, сохранения и восстановления, Л.:Гпдрометеолэдат, 1991, с.61-68.

32. Математическая модель формирования стока и выноса загрязняющих водаств с урбанизированных территорий (на примере

г Ленинграда). - Труди ШШ, 1Э51, вип.ИС, е.39-44 (соавторы С.С.ГриЙин, B.B.iïHitBvmi, С.В.Дружинин, Н.С.Руиченко, И.В.Шуша-рпн).

33. Ыат-атическая модель для оценка тропического состояния водоемов с использованием данных дистанционного зондлроза-ния водосборов. - Метеорология, ,климатология к гидрология, 1991, выти27, 0.37-42. _

34- Planing of Otservefclone in the Experimental Watershed Aimed at Calibrating Eeinfall Bunoff Formation Modal.-proc.lct.sjnip. Hydrol.Ree.Baeins, Bern, 1982, v.2, p.521-530. (соавтор В.А.Румянцев).

35- Experience of Devel ..ping Mathematical Kodela of Bapiac of EmaiJ. Rivere.-proo.Int.Symp.Hydro 1.Processae in tiie Catchment, Cracow, 19S6, v-2, p-73-79*

(соавтор Н.к.Кааотова, Н.А.Ливанова).

3&• Possibility of Vathaoatical Model Application to Evtliiate Usa* s Activity Bffecte on Bfticfall Euooff Hydrograph.- IAHS publ.,1989, Ы187, P-321-329-

(соавторы A.A.Капотов, fa'.И.Каиогоьа, H.А.Ливанова).

3*k.97-1GÛ »ta. Iii 0.3.02 Уч.1Ш.л 1.4