Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Моделирование внутригодовой изменчивости содержания окрашенных органических веществ в Волжском источнике водоснабжения г. Москвы

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

Автореферат диссертации по теме "Моделирование внутригодовой изменчивости содержания окрашенных органических веществ в Волжском источнике водоснабжения г. Москвы"

РГ6 од

^ ^ "ШгстШ? ГЛОБАЛЬНОГО КЛИМАТА И ЭКОЛОГИИ КОМИТЕТА ПО ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИИ И МОНИТОРИНГУ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ И РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

На пр2баг рукописи

ДЕНИСОВ НИКОЛАЙ БОРИСОВИЧ

УДК [504.4.06:547.992.21.MI. 57

[556.I13.4:556.51 !282.247.41) [628.I.032:614.777] (470-20)

МОДЕЛИРОВАНИЕ ВНУТРИГОДОВОЙ ИЗМЕНЧИВОСТИ СОДЕРЖАНИЯ ОКРАШЕННЫХ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ В ВОЛЖСКОМ ИСТОЧНИКЕ ВОДОСНАБЖЕНИЯ г. МОСКВЫ

Специальность: II.00.11 - охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

Москва 1993

Работа выполнена на кафедре рационального природопользоьан географического факультета Московского- государственного универс тета им. М.В. Ломоносова

Научный руководитель: д.г.н. И.Т. Гаврилов

Официальные оппоненты: д.т.н. И.В. Гордин

к.г.н. Е.И. Бреслав •

Ведущая организация: Институт водных проблем Севера КНЦ РАН

Защита состоится -Оу1953 г. в часов нг

заседании специализированного совета К.00356.01 по специальности II.00.II,- охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов в Институте глобального климата и экологии по адресу: 107258, Москва, ул. Глебовская, д. 20-6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИГКЭ.

Ваш отзыв, заверенный печатью, просим направлять по адресу' 107258, Москва, ул. Глебовская, д. 20-6., спецсовет ИГКЭ.

Автореферат разослан " Гчк.си>т<\ 1993 г.

Ученый секретарь специализированного

совета, к.г.-м.н. ¿йх^-о^^-Л/Т'• Г. Орлов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Волжский источник водоснабжения, образованный системой водохранилищ, рек и каналов с площадью водосбора 42000 км^ обеспечивает в настоящее время значительную часть потребностей г. ,\'осквы в питьевой воде. Существенной проблемой с точки зрения доведения качества воды водоисточника до уровня, соответствующего требованиям питьевого водоснабжения, является повышенное содержание в эоде окрашенных органических веществ (00В) гумусовой природы, имеющих естественное происхождение. Кроме непосредственного влияния на органолептические и токсикологические свойства вода, гумусовые соединения оказывают также воздействие на экологические процессы и на перенос загрязняющих веществ в водоемах.

К настоящему времени накоплен некоторый материал, позволяющий в общих чертах судить о закономерностях поведения 00В в водоемах, в том числе - и в Волжском водоисточнике, но имеющиеся оценки редко носят количественный характер.

Постановка задачи моделирования внутригодовой динамики содержания 00В связана с потребностями в оперативном прогнозировании качества воды при планировании режима водоподготовкии и с необходимостью изучения возможного влияния на их содержание управляющих воздействий. Количественные оценки могут быть использованы также при моделировании общих закономерностей гидрохимического режима как Волжского водоисточника, так и других водных систем, где высока концентрация и роль гумусовых соединений.

Цели исследования. В цели исследования входила разработка, адаптация и анализ системы математических моделей для описания процессов переноса и трансформации 00В в водоисточнике и для расчета их содержания в водозаборах водопроводных станций. Для этого необходимо было решить следующие задачи:

- выделить основные факторы, определяющие содержание 00В в водоисточнике;

- определить структуру и оценить параметры моделей для расчета и прогнозирования содержания 00В;

- исследовать полученные модели с точки зрения их содержания и чувствительности к различным источникам неопределенности;

- провести интерпретацию структуры полученных моделей и анализ результатов моделирования' исходя из потребностей питьевого

водоснабжения.

Методика исследований и фактический материал. В основу работы положены данные многолетних режимных наблюдений за качеством воды Акуловской лаборатории ММП "Мосводоканал", данные наблюдений на постах Гидрометслужбы, опубликованные результаты наблюдений отдельных авторов и организаций, а также содержащиеся в соответствующих источниках фондовых материалов результаты наблюдений и исследований, проводимых сотрудниками' географического факультета МГУ, в том числе при участии автора.

Полученные данные были обработаны с использованием стандартного и разработанного автором или при его участии программного обеспечения. Для расчетов динамики содержания 00В была модифицирована численная модель мэссопереноса, разработанная для Волжского водоисточника на ВЦ РАН и географическом факультете МГУ.

Научная новизна. Автором предложены некоторые новые способы схематизации и количественной оценки связей в системе переноса и трансформации 00В в водоемах, построены статистические модели внутригодовой динамики цветности вода для различных участков Волжского источника водоснабжения г. Москвы, адаптирована для расчетов содержания 00В двумерная численная модель и проведена оценка кинетических параметров процесса естественного осветления, исследованы возможности регулирования качества воды путем разбавления вод с повышенным содержанием 00В.

Практическая ценность работы. Разработаны методы диагностических и прогнозных расчетов цветности воды в различных контрольных створах Волжского водоисточника; выработаны рекомендации по оптимизации режима работы гидроузлов системы водоснабжения для снижения цветности воды. Полученные модели могут быть использованы при принятии оперативных решений в практике водопользования и при моделировании качества воды Волжского водоисточника, а опыт их разработки, основные методические подходы и некоторые результаты -при анализе процессов формирования качества воды аналогичных водных систем.

Результаты исследований вошли в научно-технические отчеты для ШП "Мосводоканал" и Комитета по водным ресурсам Министерства охраны окружающей среды и природных ресурсов Российской Федерации.

На завдту выносятся:

- статистические подали расчета среднемесячной цветности вода Иваньковского водохранилища;

- статистические подели прогноза среднемесячной цветности вода в водозаборах водопроводных станций в Учинском водохранилище с заблаговреыенностью 30 и 75 суток:

- результаты адсптацш! численной подели кассЪпераиоса для описания баланса гумусовых веществ в водозыах и расчета цветности воды в различных створах Волгысого водоисточника;

- оценки кинетических параметров обобщенного процэсСэ осветления вода в водоисточнике;

- результата анализа возиозясстеЭ разбавлэппя внсокоцветкых вод притоков Иваньковского водохранилища.

Апробация работы. Оспоеено результата дкссертсцст были доложены на XIII пколе-сеыинаро "Натацатичэспоа коделирсззнне в проблемах рационального прхфодопользоэоЕая" (Ростоэ-за-Дояу, 1889 г.), V пхоле-сецапарэ "Тооргш и катода управления рэсуросгз вод сушя: водохришяица, аг ксттэкслза пспольгопкггэ п воадеЦотю® на сотулсгнзпэ срзду" (Згэютсрод, 193Э г.), кацдтнародзсз спэсспуш "Проблем гко:пг;ор^з"":п" (Бззпггсрод,12гз г.), прэдставлэпп на иендународаоЯ кок&зрепцяи "Прэдскззус^ссть п езёжгЛпоз иоделпро-вакяе в естастзе1шнх науках и эгсспс^шсэ" (Езгапзнгэп, 1533).

Публикации. Основпоз содзртгппив д-юсортег^п спублпкозспо в 6 печатных работах.

Структура и объем лпссортсцгд. Диссертация состоит из ввздз-. ши, четырех, глав, зсзшачэппя и библпогрефи. Содержат 247 стрз-шщ, вяяэтая 47 рисупкоз и 35 тйблзд. Списог. литература вклотает 227 названий,

СОДЕКШШ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работа, сфоруулзрованз цель исследования, показана научная ношзнэ п практическая ценность работы, а такие кратко охарактеризовано содержание работы по глав ам.

В главе I дается общая характеристика Волаского водоисточника и проблей повышенного содержания 00В в воде. В разделе 1.1 на основании литературных и фондовых данных анализируется структура водоисточника и условия формирования качества его вода. При большой антропогенной нагрузке, обусловленной промышленным и сельско-

хозяйственным развитием в бассейне Иваньковского водохранилища приводящей к ухудшению качества воды по ряду показателей (соде! жание биогенных веществ, тяжелых металлов, нефтепродукте [Хубларян,1989; Ахметьева и др., 1991; Кирпичникова, 1992]) серьезной проблемой с точки зрения питьевого водоснабжения являет ся повышенное содержание в водоисточнике гумусовых соединена [Виленский, Даценко, 19891.

В разделе 1.2 охарактеризованы свойства, распространение, экологическая роль 00В'гумусовой природы в поверхностных водах процессы их внутриводоемной трансформации, соотношение их содержа ния с различными характеристиками качества воды, особенност] временного и пространственного распределения в Волжском водоисточнике. Гумусовые вещества, поступающие в водоемы из почв водосборг и, в меньшей степени, образующиеся при разложении водной растительности, в высоких концентрациях присутствуют в поверхностные водах ряда природных зон (в первую очередь - лесотундры, тайги и смешанных лесов [Никаноров,1989]). В водоемах гумусовые вещества, находящиеся во взвешенном и коллоидно-растворенном состоянии, подвергаются фотоокислению, бактериальному разложению, сорбции на взвешенных и коллоидных частицах негумусовой природы и могут выпадать из раствора вследствие потери агрегативной и кинетической устойчивости [Воронков, Соколова, 1953; Кокс, 1965; Strome, Millea, 1978; Rlfal, Bertru, 1980]. За счет сорбции и комплексо-образования гумусовые вещества оказывают влияние на перенос в поверхностных водах _тяжелых металлов и токсичных органических соединений ГЛинник, Набиванец,, 198.6; Мур, Рамамурти, 1987; Schnoor et al.,19871. В процессе водоподго'Авки основную проблему представляет высокая оптическая плотность растворов гумусовых веществ, приводящая к возникновению характерной окраски питьевой воды.[ВОЗ, 1986], и образование в ходе хлорирования воды хлорорганических соединений, обладающих токсичным, мутагенным и канцерогенным действием [Элышнер, 1989; Jokela et al., 19921.

Среди показателей качества воды, используемых в качестве характеристик содержания в ней гумусовых веществ, особое значение имеет цветность воды, которая представляет собой линейную функцию оптической плотности водного раствора в фиолетовой области видимой части спектра и.тесно связана с концентрацией окрашенных веществ. Благодаря включению цветности в нормативы качества воды и простоте

г

определения, ее измерение входит в большинство программ режимных и экспедиционных гидрохимических исследований. Для Волжского водоисточника имеются многолетние ряда наблюдений за цветностью воды главных притоков "Иваньковского водохранилища Волги и Тверцы, канала им.. Москвы, а ташке Учинского водохранилища у водозаборов водопроводных станций (Рис. I). -

Анализ данных из различных источников позволил исследовать, закономерности пространственного и временного распределения 00В в Волжском источнике водоснабжения ниже створа г.Твери. Основная часть 00В поступает в Иваньковское водохранилище с заболоченных водосборов Волги, Тверцы [Рощупко, Литвинов, 19851 и малых левобережных притоков. Содерхание 00В незначительно меняется по длине водохранилища, что связывают с отсутствием или малой интенсивностью в нем осветления воды и с большим вкладом в баланс 00В боковых притоков [Францев, 1963; Фортунатов, 1971] или с особенностями водообмена [Иваньковское водохранилище..., 1979]. Процесс осветления активизируется в водохранилищах канала им. Москвы [Даценко, 1587; Канал им. Москвы..., 1987]. Динамика цветности у'.водозаборов водопроводных станций в Учинском водохранилище в значительной степени определяется ее колебаниями на входе в Иваньковское водохранилище и имеет четко выраженный сезонный ход.

В главе 2 рассматриваются современные подходы к созданию и использованию моделей формирования качествэ воды. В разделе 2.1 охарактеризованы основные направления, алгоритмы и программные средства моделирования качества воды, приведено описание наиболее часто используемых программных систем, рассмотрены проблемы интерпретации результатов моделирования в условиях неопределенности, ■связанной с ошибками входных данных и схематизации процессов.

В разделе 2.2 обобщен существующий опыт- моделирования режима цветности воды Волжского водоисточника, включая эмпирические [Печников, Телеснин, 19821, полуэмпирические [Печников, Морозов, 1978; Даценко, 19871 и балансовые [Гордин, 1987; Даценко,Иваненко, 19921 модели формирования цветности воды различных участков системы.

В главе 3 излагается методика и результаты статистического моделирования динамики среднемесячных значений цветности воды водоисточника. В разделе 3.1 обосновываются возможности и рассматриваются особенности применения множественного линейного регресси-

Ч

Ríe. I. Схема Волжского источника водоснабжения г. Москвы I - р. Волга, 2 - р. Тверда, 3 - канал им. Москвы Водохранилища: 4' - Иваньковское, 5 - Учинское, 6 - Ваэузское (Вазовской пиротехнической систем*) Т - створы режимных гидрохимических наблюдений

к

онного анализа дм построения статистических моделей формирования цветности води. В основу используемого в работе подхода положено представление о той, что при решении задач приближенной идентификации связей и оценки параметров, а также при разработке методов прогнозирования часто целесообразно оценивать лишь обобщенные характеристики процессов, что можно осуществить на основе линеаризованных моделей, использупцих в качестве входных и выходных переменных измеряемые гидрохимические показатели или результаты их преобразования. При статистической оценке параметров нам было необходимо уменьшить во временных рядах роль высокочастотных колебаний, связанных с ошибками измерения и восстановления данных и с локальными возмущениями. Учитывая, что частота режимных наблюдений за качеством воды Волжского водоисточника составляет 2-4 раза в месяц, так что период восстанавливаемых по натурным данным колебаний не меньше I месяца, было проведено месячное осреднение исходных данных.

Применение аппарата регрессионного анализа требует выполнения ряда условий, нарушение которых может привести к ухудшению статистических свойств оценок параметров и затрудняет интерпретацию результатов. В задачах моделирования внутригодовой изменчивости цветности воды Волжского водоисточника главные проблемы связаны-с мультиколлинеарностью и автокоррелированностью рядов данных. Свойства ошибок модели накладывают ограничения на минимальный интервал между точками выборки.

Для моделирования цветности вода в неустановившемся режиме предложено использовать смешанную модель авторегрессии и распределенного лага вида:

Т К 'Tq

Y* = l Вр Yb~p+ l I В^ + 30 + et (I)

р=1 q=1 г=о

где Y - цветность воды в расчетном створе, X - цветность воды или статистически связанная с ней характеристика в расположенном выше створе, В- коэффициент, s - ошибка модели, верхние индексы соответствуют временной, а нижние - пространственной координате.

В конкретных задачах некоторые коэффициентов модели (I) можно положить равными нулю исходя из представлений о характере массопе-реноса в исследуемой системе и из целей моделирования; оценки

*

назначений остальных коэффициентов' определяются с использование)« 1->'стандартных процедур множественной "линейной регрессии.

В разделе '3.2 ' излагаются результаты оценивания параметров .л полуэмпиричёских моделей режима цветности воды Иваньковского водохранилища. Разработка моделей имела целью провести приближенный анализ условий формирования баланса 00В в водохранилище, выявить вклад в него различных факторов и оценить достаточность имеющихся натурных данных для моделирования динамики среднемесячной цветности воды на входе в канал им. Москвы. По данным о- цветности воды рек Волги и Тверды и канала им. Москвы на выходе из Иваньковского водохранилища у 1-й паромной переправы (1ПП) за 1959 -1982 гг. были получены оценки среднемесячной цветности воды. Для Волги и Тверцы эти оценки были умножены на долю расхода воды каждой из рек в суммарном входном расходе. Оценка параметров проводилась для моделей вида:

^гат" Ев^в + * + + Во + <2>

где Цб - цветность воды, а индексы обозначают: в - реку Волгу, т -реку Тверцу, шп - канал им. Москвы, :о - сдвиг на месяц назад.

■ Структура (2) отражает представление об участии в формировании качества воды Иваньковского водохранилища вод главных притоков и о влиянии замедленного водообмена, выражающегося в автокоррели-рованности ряда цветности воды в канале им. Москвы. Отдельно проверялась возможность использования гипотезы поршневого вытеснения при описании баланса 00В, для чего рассматривалась модель без включения цветности воды в канале в предыдущем месяце.

Оценивание параметров проводилось раздельно для зимнего, весеннего, летнего и осеннего периодов, различающихся условиями формирования стока воды и 00В с водосбора и гидравлическим режимом водохранилища. Среднеквадратичные отклонения остатков (з), коэффициенты множественной корреляции (Я) и оценки параметров моделей с 4 и 5 регрессорами для всего периода наблюдений без весеннего половодье приведены в табл.1.

В целом, более надежное описание достигалось при использовании в моделях данных о цветности воды в канале в предыдущем месяце. Наименее надежны оценки для весеннего периода, характеризующегося сложным динамическим режимом и большими ошибками расчета

■ Табл.1

Характеристики и оценки параметров моделей цветности воды Иваньковского- водохранилища для всего года без весеннего половодья

Число

регрес-

соров

и

4 : 6.7° 0.92 : 0.343 0.552 0.529 О.741 - 1.43

5 ! 5.5" 0.95 I 0.285 0.239 0.369 0.390 0.435 -1.44

среднемесячной • цветности воды по натурным данным. Коэффициенты множественной корреляции полученных моделей находались в диапазоне 0.81-0.95. Для разных сезонов соотношение оценок' параметров закономерно изменялось в'соответствии с величинами характерных расходов воды и времени добегания.'

Роль различных факторов формирования баланса" 00В при гипотезе полного вытеснения исследовалась путем объединения оценок коэффициентов для каждого из притоков. Рассчитанный таким образом (в стационарном приближении) вклад Волги и Тверцы в баланс 00В оказался близким к теоретическому при указанном предположении и при незначительной трансформации 00В в водоеме.

• В разделе 3.3 предложены статистические модели для прогнозирования цветности воды в водозаборах Северной (СВС) и Восточной (ВВС) водопроводных станций в Учинском водохранилище. Для формализации весов, используемых при осреднении исходных данных, результаты измерения цветности и среднедекадные расходы воды интерполировались сплайн-функциями, а затем подвергались скользящему месячному осреднению.

Минимально допустимая заблаговременность прогноза среднемесячной цветности составляла I месяц, а максимальная заблаговременность должна была соотноситься со временем добегания воды от наиболее удаленного створа (г.Тверь) и с лагамм максимумов соответствующих взаимокорреляционных функций. В результате анализа были выб; >ны 75-суточный и 30-суточный периоды заблаговременности прогноза, для которых разработаны различные по структуре и составу переменных модели. Помимо расчета для всего периода наблюдений, отдельно оценивались также параметры моделей для осенне-зимнего

периоде.

В моделях прогноза с 75-суточноА заблаговременностью использовались данные о цветности и расходах, воды у г.Твери н о цветности.води на 1ПП. Отобранная из нескольких вариантов по совокупности формальных и неформальных критериев структура имела вид;

*евс • О'йп * О'^т + ОК. * * (3)

где Я - расход води» нивше индексы обозначают: вс - водозаборы водопроводных станций в Учинскоы водохранилище (СВС или ВВС), в>т - сумму значение данного показателя для Волга и Тверци, а верхние индексы показывают сдвиг назад по времени в сутках. Параметры оценивались по данным 1984-1988 гт.

В моделях 30-оуточноЯ заблаговременное™ была учтена инерционность процессов форшрования качества воды в Учинском водохранилище и» как следствие, высокая автокоррелированность цветности воды на малых лагах. Структура моделей имела вид:

«бвс = Звс^вс + ввсКс + Ой + 30 + . <4>

Параметры моделей оценивались по данным 1984-1991 гг. Характеристики моделей прогноза с различной заблаговремен-ностыо приведены в табл.2.

Табл. 2

Среднеквадратичные отклонения остатков (в числителе) и коэффициенты множественной корреляции (в знаменателе) моделей прогноза цветноста воды в Учинскоы водохранилище

Период забла- ! Год Зима

говреыенности ! СВС ВВС СВС ВВС

75 суток ! 4.7°/ 0.76 4.6°/ 0.77 3.3°/ 0.92 3.4°/ 0.91

30 суток ! 3.0°/ 0.92 2.7°/ 0.93 2.5°/ 0.96 2.1°/ 0.97

На рис. 2 показано соотношение измеренной и рассчитанной с месячной заблаговременностью среднемесячной цветности воды на СВС. В модели (3) и (4) входили значения цветности нефильтрованной

40 ■

30

1934

19 5 в

"г {V г> I'

1 ^ - а. ц, , м, Г'

№ ш, ' и*

-.1....... ■ 988 .............,.......1 1990"

м

Г I

[ .к

( м

и

Рис. 2. Соотношение измеренной (I) и рассчитанной по прогнозной модели с эаблаговременностыо 30 суток (2) среднемесячной цветности воды в Учинском водохранилище в водозаборе' СВС

#

воды на 1ПП. Установлено, что использование в качестве входной переменной не измеряемой в настоящее время цветности фильтрованной воды как более достоверной характеристики'содержания растворенных 00В позволяет повысить надежность прогноза.

Исследование влияния на расчеты по модели (4) способа интерполяции исходных данных и величины интервала между точками временных рядов в диапазоне от I до 30 суток на этапе оценивания параметров показало слабую чувствительность результатов прогноза к указанным факторам.

В главе 4 излагаются результаты численного моделирования баланса 00В в водоисточнике и анализа возмокностей разбавления-высокоцветных вод .дождевых паводков попусками воды из Вазузского водохранилища. В разделе 4.1 дается общая характеристика и проводится анализ, свойств двумерной плановой модели массопереноса, разработанной для Волжского водоисточника на географическом факультете МГУ и на ВЦ РАН. В основу модели положена система уравнений теории мелкой вода и адвективного массопереноса и метод конечных элементов с использованием регулярных криволинейных сеток [Иваненко, 19911. В приходной части водного баланса учитывались основные притоки Иваньковского водохранилища.

Верификация модели по данным гидрохимических наблюдений показала высокую точность расчета времени добегания и концентрации консервативной примеси при правильно заданных граничных условиях.

Вычислительные эксперименты по расчету времени добегания воды от г.Твери до различных створов водоисточника позволили получить зависимость времени добегания до входа в канал им. Москвы от расхода воды на входе в водохранилище и оценить в аналитическом приближении чувствительность расчета времени добегания к точности задания водного баланса водохранилища.

Исследования особенностей отражения моделью перемешивания в водоисточнике и вязких эффектов показали независимость вязкости модельной системы массопереноса от плотности сетки при ее сгущении от первоначально выбранного уровня. Изучение спектральных характеристик выходных сигналов в различных створах при задании на входе белого щума показало, что модель уменьшает амплитуду высокочастотных входных колебаний с периодом менее 5-10 суток в 100-1000 раз, в то время как амплитуда колебаний с периодом более месяца падает не более, чем в 3-4 раза. Это подтверждает предположение о малой

информационной роли высокочастотных входных колебаний качества воды и о возможности приближенного , описания передачи системой низкочастотных колебаний с помощью модели поршневого вытеснения.

В разделе 4.2 описаны ход и результаты численного моделирования внутригОдовой динамики цветности воды в Волжском водоисточнике. Для моделирования баланса 00В численная модель была дополнена расширенными возможностями описания боковой приточности и трансформации примеси согласно реакциям первого или второго порядка:

§ ■= " К, О. (5)

7: = ' Кг 'Г, (б)

где С - концентрация примеси, л, и Я',- коэффициенты реакций первого и второго порядка.

Не описываемая данными режимных гидрометрических наблюдений часть бокового притока Иваньковского водохранилища задавалась методом аналогов: для притоков Волги и Тверцы между г.Тверью и водомерными постами в качестве аналога был взят приток р.Волги -р.Тьма, для малых высокоцветных притоков водохранилища - приток Рыбинского водохранилища р.Шалочь. Цветность воды в не освещенных гидрохимическими наблюдениями боковых притоках задавалась в зависимости от расхода воды из условия соответствия средней цветности медианному расходу вода и достижения некоторой пороговой величины цветности при неограниченном росте расхода. Аналитический (при гипотезе поршневого вытеснения и полного перемешивания вод притоков по сечению) и экспериментальный анализ чувствительности показал, что величина ошибок, связанных с неточностью задания цветности и расхода воды притоков водохранилища, не превышает в совокупности 10', но при игнорировании малых боковых притоков может происходить систематическое занижение расчетных концентраций.

Расчеты цветности воды в канале им. Москвы у 1ПП проводились для навигационного периода 1981-1986 гг. при предположении отсутствия осветления в водохранилище. Расхождение между рассчитанной и измеренной цветностью воды не превышало при этом в среднем 5-10^, но в отдельных случаях достигало 20-30"', что связано с неточностью задания граничных условий, нестационарностью биохимических и гидродинамических процессов, ответственных за снижение цветности

воды в Иваньковском водохранилище, а также с нарушениями в некоторые периода справедливости положенных в основу модели гидродинамических и балансовых соотношения.

Моделирование динамики цветности воды в нижней части водоисточника проводилось при задании на входе в канал им. Москвы измеренной на 1ПП цветности воды. Расчет для 1984-1989 гг. с использованием реакции второго порядка (6) с постоянным коэффициентом л_ = 0.0001 1/"*сут (Рис. 3) приводил к лучшим, по сравнению с использованием гипотезы о линейном осветлении, результатам для осенне-зимнего периода, обеспечивая низкую скорость осветления при малой цветности воды и повышая ее при прохождении пиков осенних довдевых паводков, что хорошо согласуется с натурными и литературными данными. В весенне-летний период для адекватного описания внутриводоемного снижения цветности требовалось задание более высоких скоростей осветления, что может быть связано с проявлением не отражаемых моделью особенностей весеннего премешивания в водохранилищах и с повышенной активностью бактериального сообщества летом [Майстренко, 19651.

Большее постоянство скорости снижения содержания 00В в нижней части водоисточника объясняется, по-видимому, интенсивным перемешиванием .в канале им. Москвы, уменьшающим агрегативную устойчивость гумусовых коллоидов и усиливающим их сорбцию на взвесях, которые затем выпадают из раствора в водохранилищах, а также связано с гидравлическими и гидробиологическими различиями водоемов.

Оцененные для разных сезонов и участков водоисточника значения коэффициентов внутриводоемного осветления первого и второго порядка находились в пределах:

0 < л, < 0.015 1/сут, 0 < Я, < 0.0003 1/°сут.

В разделе 4.3 проведен анализ возможностей влияния на цветность воды, поступающей в канал им. Москвы, путем разбавления вод притоков Иваньковского водохранилища попусками вбды Вазузского водохранилища, имеющей невысокое содержание гумусовых веществ, через Зубцовский гидроузел. В связи с отсутствием при практической реализации попусков подробной информации о цветности вод притоков, рассматривалась модель, предполагающая постоянство цветности воды притоков и Вазузского водохранилища на период управления. Проведенные при таком предположении численные и аналитические расчеты

Рис. 3. Соотношение измеренной (I) н рассчитанной по численной подели (2) цветности вода в Учинском водохранилище в • водозаборе ВВС

показали, что оценку максимальной цветности в канале им.Москвы можно получить из уравнения баланса 008 при полном перемешивании вод притоков-.

Рассматривалось уравнение баланса 00В в виде:

^=ечн + + ацв3убп ■

- 1 +~~т О ' ' 1 '

где ¿('6р . естественная цветность воды в створе г. Твери, :7г.- -цветность воды условного потока, образованного слиянием боковых притоков, - цветность воды Вазузского водохранилища у

Зубцовского гидроузла, - - отношение расхода воды притоков гаже г.Твери к нерегулируемом расходу воды у-г.Твери, я - управляемый параметр, равный отношению попуска к расходу воды в створе г.Твери.

При использовании минимаксного критерия оптимальности, минимизирующего пиковую цветность воды, величина а должна быть константой, зависящей от общего допустимого объема сброса вода из Вазузского водохранилища' и от ожидаемой водности паводка. При оптимизации по байесовскому критерию, минимизирующему среднюю цветность- воды, -ч сложным образом зависит от гидрографа паводка.

Для расчета по наихудшему сценарию были определены наиболее осторожные оценки параметров и Цбц , отвечающих за вклад в баланс ОСВ боковых притоков. Для разных соотношений цветности воды у г.Твери и у г.Зубцова и различных значений ч была рассчитана цветность воды б канале им. Москвы и зависящая от разности цветности воды рек и Вазузского водохранилища величина снижения цветности воды в канале под действие^ оптимальных по минимаксному критерию попусков - (рис.4). Для наиболее вероятных ситуаций, когда величина ч не превышает 30%, гарантированное снижение цветности может доставить 8-10; Величина цветности на водозаборах в Учинском водохранилище и величина ее снижения за счет попусков составляют 75-80% от соответствующих величин в канале им. Москвы.

. Анализ многолетних данных о соотношении максимальной входной и выходной цветности вод дождевых паводков показал, что в 20% случаев в Иваньковском водохранилище происходило снижение входной цветности на не менее, чем 20'"'(или 30%), так что за счет увеличения времени отстоя паводковых вод в Иваньковском водохранилище и использования, части кинетической энергии паводочной волн& на

Рис.

4.

Расчет снижения цветности воды в канале им. Москвы под действием попусков воды через Зубцовский гидроузел

■ ч

внутриводоемное перемешивание ноокво повысить степень вну триводоем-ного снижения содержания 00В.

В заключении приводятся основные вывода и результаты) подученные в диссертации:

1. Для Волжского источника водоснабжения г.Москвы разработан и исследован ряд ыатеиатичвских моделей, предназначенных для анализа факторов н условна формирования внутригодовой изменчивости уровня цветности воды и расчета ее величины в водозаборах водопроводных станций, в теш числе:

- статистические ыоделн формирования цветности вода в Иваньковском водохранилище с коэффицаентоа ыноаэствэнной корреляции 0.81-0.95 для разных сезонов:

- статистические модели для прогнозирования среднемесячной цветности вода в водозаборах водопроводных станций в Учинской водохранилшце с заблаговреыенностью 30 в 75 суток со среднеквадратичными ОЕИбквии прогноза 2-5°;

- балансовая ыодель дошздгки 00В на базе численной двумерной модели ыассоперекоса, учитыващая поступление 00В в водохроЕплздз систеш, перенос и обобщенные процессы взутраводоеиного осветления.

2. На основе статистического н численного цодэларованпя установлена возможность приближенного расчета величина- цвотпостп воды в канале ни. Москва с использованием для Иваньковского водохранилища гипотезы поранавого штесвения н полного пареизшвешя вод притоков по C040ISS), хотя учат особенностей водооб^эна позволяет в ряде случаев повысить надежность расчетов.

3. Показана эффективность использования смешанных моделей авторегрессии и распределенного лага для моделирования внутригодовой изменчивости цветности вода в водоемах с неполным вытеснением.

4. Проведена оценка параметров процесса внутрзводоеыного осветления. Значения коэффициентов линейного и квадратичного распада уе превышают 0.015 1/сут. и 0.0003 1/°сут.

5. Исследованы возможности снижения цветности вода водоисточника при прохождении дождевых паводков путем их разбавления попусками вода Вазузского водохранилища с .меньшим содержанием гумусовых соединений. Предложен упрощенный способ получения осторожных оценок эффективности попусков^.

6. Дальнейшее повышение надежности количественного анализа требует, в частности, совершенствования существующей системы наблюдений за качеством воды, включая:

- увеличение частоты отбора проб в верхней части водоисточника;

- проведение измерений на малых притоках Иваньковского водохранилища;

- определение величины цветности фильтрованной воды во всех створах гидрохимических наблюдений.

Основные положения диссертации изложены в следующих публика

циях:

1. Статистическая модель трансформации качества воды водоема в условиях неполноты информации //"Математическое моделирование в проблемах рационального природопользования" - Тез. докл. обл. 13 шк.-сем.- Р.-на-Д., 1989, с.174 (соавтор: М.В. Агщель)

2. Анализ и количественное описание некоторых закономерностей формирования цветности воды Волжского источника водоснабжения г.Москвы //Водные ресурсы - 1991, No 3, с.83-89 (соавторы: М.В. Аплель, Ю.С. Даценко)

3. Прогнозирование сезонной динамики содержания гумусовых веществ в Учинском водохранилище //Матер, межд. симп. "Проблемы экоинформатики" - М., 1992, с.165-166 (соавтор: М.В. Аппель)

4. Статистическое моделирование формирования цветности вода Иваньковского-водохранилища в условиях недостаточности информации //Водные ресурсы - 1993, 3 с. (в печати; соавтор - М.В. Аппель)

5. Predicting Variations oi Humic Substances in Moscow Water Supply by Statistical Linearization Technique //Abstr. Int. Coni. "Predictability and Non-Linear Modelling in Natural Sciencee and Economics".- Wageningen, .1993 (соавтор; М.В. Аппель)

6. Application oi Finite Element Method with Curvilinear Grid to Dynamic Water Quality Problem //Abstr. Int. Coni. "Predictability and Non-Linear Modelling in Natural Sciences and Economics". - Wageningen, 1993 (соавтор: С.А. Иваненко)