Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Расчет и прогнозирование гидрохимического режима малых рек

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

Автореферат диссертации по теме "Расчет и прогнозирование гидрохимического режима малых рек"

РАСЧЕТ И ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ГИДРОХИМИЧЕСКОГО РЕЖИМА МАЛЫХ РЕК.

(на примере верховий р. Неман)

Специальность 11.00.11 - Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1998 г.

Работа выполнена на кафедре «Общей и инженерной экологии»

Московского государственного университета природообуст-ройства.

Научный руководитель:

к.т.н. , доц. Никитенков Б.Ф.

Официальные оппоненты:

д.т.н., проф. Ведерников В.В. к.г-м.н. КочорянА.Г.

Ведущая организация - ВНИИГИМ

Защита состоится «22» июня 1998 г. в 1500 часов на заседании диссертационного совета К 120.16.02 в Московском государственном университете природообустройства по

адресу:

127550, Москва, ул. Прянишникова 19, МГУП, ауд. 2\Ы£.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке университета.

Автореферат разослан «22» мая 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н.

Сурикова Т.И.

)БЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

.ктуальность работы. Проблема прогнозирования качества вод-ых ресурсов становится все более актуальной в мире аучно-технического прогресса и возрастающих человеческих еланий. Во многих районах земного шара наблюдается неостаток чистой воды вследствие количественного и ачественного истощения водных ресурсов. Часто загрязне-ие настолько велико, что экосистемы водоемов полностью еградировали, т.е. потеряли хозяйственную и ландшафтную енность. Проводимые в настоящее время гидробиологические

гидрохимические наблюдения за качеством природных вод асто лишь фиксируют их состояние, а полученные результа-ы оказываются мало полезны в предсказании будущих изме-ений в новых условиях. Эксперименты с природными систе-ами, как известно, сложны, а часто вообще недопустимы ли невозможны.

Одной из причин существующего состояния водных ресур-ов является отсутствие комплексных, целевых подходов, аправленных на совершенствование методов прогнозирования оследствий хозяйственной деятельности и данная работа в пределенной степени решает эти задачи.

ель работы. Основной целью работы является теоретический нализ и математическое описание процессов формирования идрохимического режима поверхностных вод с учетом био-ических процессов для решения практических задач прогно-ирования качества воды в реках. Для этого разработан пециальный комплекс программ ЭВМ для теоретического ана-азэ. и практического использования полученных моделей. етоды исследований. В основу работы положены теоретические этоды системного анализ и моделирования природных и ан-эологенных процессов, а также трехлетние (1991-1993) по-звые эксперименты по экологическому обследованию верхо-т Немана, наблюдению за биотическими и абиотическими ^ловиями на реках Выня, Неманец, Перетуть и Усса Белоруссия).

аучная новизна заключается в теоретическом анализе процес-эв формирования гидрохимического режима рек и разработке эвых математических моделей процессов движения и транс-эрмации веществ в поверхностных водах.

Практическое значение работы. Работа представляет новые воз можности для решения практически важных задач оценки прогнозирования экологического состояния поверхностны вод и процессов звтрофироеания малых рек. Разработанны методы могут быть эффективно использованы в практике во дохозяйственного проектирования, обосновании природо охранных мероприятий, и быть полезны при решении приклад ных задач общей и инженерной экологии. Основные защищаемые положения.

На защиту выносятся:

1.Результаты экспериментальных исследований гидрохи мического режима малых рек и оценки качества их вод.

2.Математические модели гидрохимических балансов ве сцеств для текущих поверхностных вод с учетом биотически процессов.

3.Методы схематизации природно-климатических условий прогнозирования гидрохимического режима малых рек. Апробация. Основные результаты работы доложены и одобрен! на научно-технических конференциях МГМИ (1992-1994г.г.) МГУП (1997-1998 г.г.) По результатам исследований опубли ковано 5 научных работ.

Объем работы. Работа состоит из предисловия, введения четырех глав и представлена на стр. текста и включае"

табл. ,3.5" рис. , а также 3 приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ВВЕДЕНИЕ. МОДЕЛИРОВАНИЕ И СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ, КАК ОСНОВА ИССЛЕДОВАНИЯ ПРИРОДНЫХ СИСТЕМ

В настоящее время нет ни одной отрасли знаний, где 6\ не пытались говорить о моделях и системных подходах. Ана лиз литературы показывает, что методы моделирования, ос нованные на обоснованных системных представлениях дейст вительно, могут оказаться единственными среди допустимы: методов изучения природных объектов. Многие процессы протекающие в природе настолько медленны, что эксперимен' тальные исследования могли бы занять время недопустим! большее, чем отпущенное для решения проблем. Эксперимент! с природными объектами сложны в организации и исполнении.

зльшое количество факторов определяющих многие естест-энные природные процессы, часть из которых еще не из-гстна или представления о них не четки, приводит к ошиб-1м, вероятность которых из-за сложности проблем возрас-1ет. За основу понятия «Модель» в работе положено наибо-зе конструктивное определение, предложенное В.А.Штоффом Под моделью понимается такая мысленно представляемая и зтериально реализуемая система, которая, отображая или ^производя объект исследований, способна замещать его зк, что ее изучение дает нам новую информацию об этом бъекте». Принято, что ни уравнения, ни алгоритмы, ни эугие мысленные конструкции не будут считаться моделью, жа не будет возможности исследования замененного моде->ю объекта. Не менее важно в современных исследованиях ^пользование методов теории систем и системного анализа. :нову многих системных подходов составляет представление юдмета исследования, как системы (т.е. целого состояло из частей, элементов). Деление предмета на части ¡лементы), выделение этих частей из предмета и установ-:ние связей между выделенными частями является важнейшей неоднозначной задачей системного подхода.

Конечная цель деления получение в процессе анализа ютавных частей системы нового знания о строении и функ-юнировании, с последующим перенесением его на целостный юдмет. При проведении системного анализа нельзя забы-1ть, что анализ и синтез есть не что иное, как элементы

процедуры нашего мышления и распространенное мнение, "О системы объективно существуют, не более чем ошибка. В [боте по литературным источникам дано изложение прак-шеских процедур использования методов системного анали-

I.

ABA ПЕРВАЯ. ОБЩИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ДВИЖЕНИИ И ТРАНСФОРМАЦИИ 1ЩЕСТВ И ФУНКЦИОНИРОВАНИИ РЕЧНЫХ БИОТИЧЕСКИХ СООБЩЕСТВ В

:ках

Речной бассейн представляет собой единую и достаточно ¡тономную целостную геоэкосистему, основные элементы ко-:рой связаны текущими природными водами. Бассейн реки :лючает в себя две относительно самостоятельные, но аимодействующие подсистемы: водосбор и реку.

Экосистемы рек формируются под большим влиянием водосбора и физико-географических условий территории в целом, но велика роль внутри водоемных процессов. Они существенно изменяют воздействие водосбора и определяют специфические черты экосистемы реки. Изменение физических и химических характеристик водотока приводит к смене видового состава живых организмов. Поступающие в реки загрязнения и токсичные вещества коренным образом преобразуют экосистему реки. Из объекта с активной жизнедеятельностью она превращается в приемник отходов производства.

Для малых рек на основе литературных данных было принято, что в первом приближении сезонная сукцессия фито и зоопланктона малых рек проходит по следующей схеме. Зимний период. Фитопланктон представлен в основном диатомовыми, зоопланктон - коловратками и простейшими. В начале марта может наблюдаться увеличение численности за счет поступления биогенов и повышения температуры. Весенний период. Преобладают зеленые. В зоопланктоне ведущую роль начинают играть копеподы (веслоногие рачки), которые по мере своего развития оказываются привнесенными из застойных речных зон.

Летний период. В фитопланктоне преобладают аллохтонные виды сине-зеленых и перифитонные виды диатомовых. Веслоногих рачков сменяют - ветвистоусые (вслед за прогревом воды). Их биотопом является мелководье и заросли макрофи-тов. В основной поток они устойчиво привносятся из своего биотопа.

Осенний период. В составе фитопланктона доминируют сине-зеленые. Но часто в конце лета начале осени наблюдается вспышка численности перидинеиевых или золотистых. В зоопланктоне с понижением температур начинают преобладать зимние виды.

Наибольшее значение для обитателей рек имеют уровненный режим, скорость течения, прозрачность, температура и солевой состав воды, а для обитателей дна и характер грунтов.

На рис.1 представлена схема поперечного сечения реки, на которой представлены основные компоненты биотических сообществ рек и абиотические факторы. В диссертации дается анализ представленных на схеме компонент, условий их формирования.

"ЛАВА ВТОРАЯ. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ГИДРОХИМИЧЕСКОГО РЕЖИМА МАЛЫХ РЕК ВЕРХОВИЙ НЕМАНА

Под верховьями р. Неман в дальнейшем понимается исто-<овая часть бассейна реки р. Неман, ограниченная створом за впадением р. Турья. Площадь рассматриваемой территории доставляет около 2500 км2. Схема Верховий р. Неман представлена на рис.2.

(Наземный сток! ) Си. дн |

'V

а *',

Й1Г"Ма

Макрофиты

Юеплообмен вмдук-вода

2 • Газообмен воздух-еода

3 - Теплообмен с донными отложениями

4 • Физико-химическое поглощение кислороде

грунтом дня

5 - Дыхание бектосных организмов

Б • Дыхыние и фотосинтез оерифитоиа 7 - Жизнедеятельность фитопланктона I - Жизнедеятельность зоопланктона

Рис.1. Основные компоненты экосистемы реки и абиотические факторы, определяющие ее функционирование.

Природно - климатические условия

Климат района умеренно-континентальный с теплым и влажным петом и мягкой зимой. Период с положительными температу-эами длится 250 дней в году, а период вегетации с/х культур длится от 80 до 200 дней. Средне годовая температура воздуха колеблется в пределах от 5.6 до 7.6 С0. Сол-чечная радиация за год составляет в среднем около 90 ккал/см2, а за период май-сенрябрь - 30..40 ккал/см2. Ско-

рость ветра летом 2 м/с, зимой достигает 5 м/с. Устойчивый снежный покров образуется в январе и держится порядка 70-80 дней. Почва промерзает в среднем на 20-30 см. Реки замерзают в середине января, а вскрываются ото льда в марте.

1очвы. Согласно почвенно-климатическому районированию ха->актерными почвами являются дерново-подзолистые, суглини-:тые и супесчаные почвы, образовавшиеся на моренных и 1вссовидных породах. Значительную территорию занимают так се и низинные торфяники.

'идоология и гидрография. Гидрографическая сеть террито-1ии состоит из непосредственно р. Неман (Неманец) и при-"оков 2-го, 1-го и 3-го порядка, а также прудов и водо-;ранилищ. Притоками первого порядка являются реки: Усса, 1оша и Турья. Притоками второго порядка: р. Выня, р. Уз-,янка и р. Перетуть. В диссертации дается развернутая характеристика этих рек. На реке Перетуть в с. Городище аходится гидрометрический пост.

1есное хозяйство. Растительность и животный мир. На рас-матриваемой нами территории находится три крупных есных хозяйства. Общая занимаемая ими площадь составляет 2.75 тыс.га. Удельный вес покрытых лесом земель в лесном онде составляет 92.7% Общее санитарное состояние лесных озяйств - удовлетворительное.

овременное состояние народного хозяйства

'аселение. На рассматриваемой территории располагаются ледующие административные районы: Дзержинский; Узден-кий; - часть Копыльского района; - часть Несвижского айона; Численность населения около 120 тыс. чел. По ста-истическим данным наблюдается снижение общей численности ри значительном росте доли городского населения. 'оомышленность. На рассматриваемой территории все про-ышленные предприятия сосредоточены в городах, проселках ородского типа и крупных селах. Промышленность представ-ена строительной, пищевой, деревообрабатывающей, топлив-ой отраслями, а также машиностроением.

'ивотноводство. В данной зоне хорошо развито как мясомо-эчное направление, так и свиноводство. В каждом админи-тративном районе имеются и большие животноводческие ком-пексы, и множество мелких и средних ферм. астениеводство. Все хозяйства зоны имеют приблизительно цинаковый (по культурам) севооборот со следующим % со-гавом культур в севооборотах: 1.Озимая или Яровая пшени-а - 25%;2.Ячмень или Овес - 15%;3.Горох-15%; 4.Картофель

-25%;5.Свекла - 10%; 6.Капуста -10 %. В целом хозяйственная освоенность объекта верховий р. Неман очень высокая.

Экспериментальные исследования гидрохимического режима в вер ховьях р. Неман

Рациональное ведение хозяйства невозможно без оценю современного состояния водных объектов. Такие оценки, ка1 известно, основываются на базе информации о гидроло гических и гидрохимических режимах. Но большинство малы; рек не оборудовано постами, на которых проводятся регу^ лярные наблюдения. Данная проблема может быть решена, I некоторой степени, отдельными систематическими обследова ниями. В связи с этим нами были проведены 2-х летние на блюдения за качеством воды в верховьях реки Неман. Схем. точек отбора проб воды приведена на рис.2. Выбор и характеристика мест отбора проб воды на гидоохи мический анализ.

Все точки (места отбора проб) можно разделить на тр группы: 1 группа - это точки, которые характеризую качество воды источника до населенного пункта и после не го [92,91, 96,97,90]. 2 группа - это точки в устье рек [71,74, 77,78, 93,76]. 3 группа - это точки по длине ре ки [89,19,70,73, 99,98,72,79,75,95, 94,25]. Отборы проб проводились в следующие сроки: 1991 г. - 30.06., 17.07; 8.06; 1992 г. - 17.07, 16.08 25.11; 1993 г. - 8.02.; 8.04.

В работе приводится детальная характеристика условий ме сторасположения точек.

Состав определяемых величин. В лабораторных условиях н образцах отобранной воды из рек бассейна проводилис определения следующих компонентов: минерального фосфора нитритного азота, аммонийного азота, нитратного азота, ио нов Са2+ , Мд2+, С1~ , Ма+, К+, перманганатной окисляемо сти, растворенного кислорода.

Оценка экологического состояния рек по результатам зкспериментал! ных исследований

За основу оценки экологического состояния принят показатель качества воды

Е лпв) 41

где: С^ - концентрация 1-го элемента определенной группы 1ПВ, мг/л; ПДК^ - предельная допустимая концентрация 1-го элемента для водоема определенного назначения, мг/л. Зсе наблюдаемые нами элементы разделены на две группы 1ПВ: Токсикологическая группа ЛПВ - ЫН4+, М02~; Санитар-чо-токсикологическая группа ЛПВ - М03~, (Р03_4)мин , Са2+, 1д2+, С1", Иа+, К+.

I.Выше приведенное условие не выполняется для токсиколо--ической группы ЛПВ (рис.3):17.07.91 - т.73, 71, 77, 74, ГО, 72, 76; 08.06.92- т.90, 93, 92, 98, 95, 75, 96, 97, Ч, 73, 78, 79, 76, 70, 71, 72, 77; 17.07.92 - т. 77; 16.08.92 - 92, 91; 8.04.93 - т.72.

Такое положение обусловлено повышенным содержанием (итритов и аммония в воде. Малые расходы воды в летний юриод и то, что р. Выня (т.70, 71), р. Лоша (т.72, 77), ). Неманец (т.73, 78), р. Перетуть (т.93), р. Усса (т.93, 15, 79, 76) являются водоприемниками мелиоративных систем шолне поясняют этот факт. Повышенные концентрации нитри-"ов могут объясняться трансформацией аммония в нитраты в эробных условиях. Аммоний в свою очередь может попадать речные воды с полей после использования соответствующих добрений. Река Уздянка (т.74, 75) и р. Усса (т.98) -казывается близкое положение фермы и интенсивный выпас рупного рогатого скота. Повышенное содержание нитритов и ммония в точках 90, 92, 96 и 97, скорее всего, может ыть связано с промышленной деятельностью в городах.

Для санитарно-токсикологической группы условие ачества воды не выполняется для большинства точек прак-ически во все сроки отбора (рис.4), исключение составля-т: т.72 - 7.07.91, т.96, 97, 76, 71, 73, 78, 72, 25, 93, 9, 70, 77 - 17.07.92 (низкие концентрации элементов по тношению к своим ПДК).

летние месяцы очень высоко содержание фосфора. Возможно то результат интенсивной сельскохозяйственной деятельно-ти (точки -71, 77, 78, 95, 89, 19, 70, 73, 72, 76, 95, 4, 99, 25, 79), последствия близкого расположения ферм и нтенсивного выпаса скота (точки 74, 75, 98, 93), резуль-ат промышленного производства (точки 92, 91, 90, 96, 97)

ж

а

г 90 - 8 Об 52

3.47В

т9Э-е 06.92

1142

т ее - 8 06 92 г.в*

73 - в 06 92

т 94 - в 06,92 1.1в7

1.4 7»

т.75 - в 06.92

т.7Э - в.06 92

33«

Т.25 • 25 11.92

т.Г« - в.Об 82 1397

Т.74-8 06 92 3.35}

-.70- 6 06 82

1,7В»

1294

.«у

Рис.3. Максимальные значения С/ПДК по токсикологической группе ЛПВ

Т.93-16 Св92 2.803

т &в - \ъ оа 92

4 — 21 2.3

И

03 0.33«

ы кет

т 92 -16 08 92

т 98 - 2511 92

т 94 - 30 08 91

1922

«.0« и

06 6 250

0.075

1.79- 16 0В 92

? .77 - 25.11 92

16 08 92

Т,75- 25 11.92

2 «3

т.76-2511.92

т.70-25 11 92

Рис.4. Максимальные значения С/ПДК по санитарно-токсикологической группе ЛПВ

ггн/ппя ППИ П ^оимт^пил-.тл^гчд^ппгмиогм/оа г»-\\/ппо П(~Ю

т 92 - в 00.92

1 все это при малой водности рек. В зимние месяцы картина меняется. Выше приведенное условие не выполняется за счет зысоких концентраций всех элементов группы ЛПВ при достаточно высокой водности рек. Исключение составляют точки 38, 74, 75 (близкое положение ферм), скорее всего такое положение связано с тем, что ноябрь месяц в этом районе достаточно дождливый вероятность стока веществ с ферм зчень велика. Изложенное позволяет сделать следующий вы-зод - качество воды в реке не удовлетворяет экологическим требованиям, предъявляемым к водоемам рыбохозяйственного назначения.

В работе также дана классификация природных вод по другим критериям.

■ЛАВА ТРЕТЬЯ. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ФОРМИРОВАНИЯ (АЧЕСТВА ВОДЫ МАЛЫХ РЕК

Экспериментальные исследования абиотических Факторов ча р. Выня. Вопросы организации и методы проведения непрерывных наблюдений за абиотическими факторами малых зек практически не отражены в специальной литературе. 1роведенные на р. Выня исследования направлены на обосно-¡ание гипотез и предпосылок для построения достаточно фостых моделей экосистем малых рек. Дополнительно по-1учены некоторые эмпирические связи, теоретическое по-;троение которых в настоящее время не возможно. Целью ис-;ледований было детальное изучение теплового режима приемного слоя воздуха и воды, а также кислородного режима зеки.

Детальные суточные наблюдения проведены на реке Выня. }хема опытных точек представлена на рис.5. эаспределение температур и растворенного кислорода по тоофилю реки. Естественно предположить, что турбулент-юсть потока выравнивает значения параметров характери-¡ующих состояние воды по глубине и ширине малых рек, од-тко в теоретическом анализе такие гипотезы требуют экс-юриментального подтверждения, т.к. от них зависят даль-юйшие модельные построения.

В работе приведены опытные данные наблюдений за содер-санием растворенного кислорода в воде и температурами во-1ы непосредственно под поверхностью и у дна. Данные пока

зывают, что, несмотря на существенные изменения параметров во времени отклонения их значений на поверхности и ^ дна не превосходят точности замеров (1 град, для температур и 5% по кислороду).

Микроклиматические особенности временных изменений солнечной радиации и теплового режима приземного слоя возду ха. При безоблачном небе максимум солнечной коротко-

волновой радиации приходится на полдень (12 ч. дня) п< местному времени. Суточный ход температур воздуха сдвину относительно суточного хода радиации для средней полосы как правило, на 3 часа.

17

_£

16 Л5

Л5_ 12

4

-а—&

сз

т

нс

Палатка

'-- Метеоплощздка

Лаборатория

—1

18^- Точки замора температур нз 2-х глубинах

— Точки отбора кислорода из 2-х глубинах + температуры Точки замера температур у берега

1

Рис.5. Схема точек в экспериментах на р. Выня

е

На рис.6 приведены реально наблюдаемые в эксперименте ве личины прямой солнечной радиации и температур воздуха Время в экспериментах определялось средне поясным (т.е по часам) и отличалось от солнечного астрономическог времени на +1 час.

Можно заметить тот факт, что у реки колебания температу воздуха намного сильнее колебаний температур воды в реке Сказывается большая теплоемкость воды. Кроме того, замет но обратное влияние водной среды на температуру приземно го слоя воздуха. Здесь не наблюдается характерно г трехчасового смещения экстремумов температур. На рис. приведены синхронные данные по температурам воздуха на метеоплощадке базы в 3-х км. от реки и температурам воз-

О 2 1 6 0 10 12 14 16 18 20 77 24 Время от начала сутсх

Рис. 6. Суточный ход измеренных величин солнечной радиации, температур воздуха (у реки) и температур воды.

,уха у реки. Во временном ходе температур на метеоплощад-:е базы максимумы, как и должно, сдвинуты на три часа, днако экстремум температур воздуха у реки сдвинут при-'лизительно на шесть часов и нужно сказать, что опыты, роводившиеся на других водных объектах (прудах, каналах) акже показывают больший сдвиг по сравнению с условиями ■даленности от воды. Была построена линейная регрессия вязи между температурами воздуха у реки и температурами оздуха на удаленной от реки метеоплощадке (Коэффициент :орреляции В=0.97), которая использовалась в практических ^счетах теплового режима по рекам верховий Немана. 'идрохимические балансы растворенных веществ в проточных юлах. Формирование химического состава воды в реках про-,есс весьма сложный. С одной стороны в реку поступают и атем смешиваются наземные и подземные воды. |0льшинств0 параметров, определяющих химический состав оды в реках, изменяются по их длине. Для элементарного ■частка реки, на котором нет сосредоточенных точечных поступлений (т.е. притоков или водосбросов) уравнение ба-анса растворенных веществ при изменении параметров по ,лине может быть записано в виде:

О^Г + С{Чп + <7„) = (С„д„ + дС„) ± Щ/ * ш) ± Ц^ * ш) ± Иг? * х)

06.08.92

Рис. 7. Синхронные графики суточного хода температур воздуха на _высоте 2 м. на базе и у реки._

С'пдп и (¡нС'и в правой части уравнения отражают изменен

концентрации за счет притока подземных и наземных во;

5"/ - поступление или поглощение веществ связанное с биолс

гическими процессами - питание организмов, их выделенияг

и т.д.; поступление или поглощение веществ связанж

с физико-химическими процессами, растворением или кр1

сталлизацией веществ находящихся в объеме воды; пост^

пление или поглощение веществ связанное с физике химическими процессами, растворением или кристаллизаци* веществ на границах водного потока, дне или на поверхж сти воды. Считается, что все отмеченные параметры являю*

ся функциями расстояния Ь и времени. , имеют ра:

мерность [г/м3/сек.]; Б, - [г/м2/сек.]. Уравнение отраж;

ет только баланс суммарного количества вещества находящ» гося в единице объема речной воды.

Водный баланс для и участков реки. Уравнение гидрох! мического баланса содержат параметры, определяемые водн! режимом реки. К таким параметрам относятся расходы воды

реке, интенсивность поступления наземного и грунтового стока, гидрографы изменения расходов воды во времени. Уравнение водного баланса для участка реки записывается в виде:

где рн, рп - соответственно интенсивности наземного и подземного питания реки.

Гидрологические расчеты для малых рек. Целью гидрологических расчетов является определение объемов стока или средних расходов воды в заданном створе реки за опреде-пенный отрезок времени. Особенностью данного расчета яв-тяется тот факт, что реальные измеренные расходы воды или эбъема стока будут, как правило, отсутствовать. На реке "¡ожет быть один или несколько гидрометрических створов, но их положение не совпадает с расчетными створами. Поэтому можно считать, что гидрологические расчеты требуется проводить по методикам, которые называются ^Гидрологические расчеты при отсутствии наблюдений». Ис-<одными данными для гидрологических расчетов служит реальный многолетний ряд наблюдений за внутригодовым распределением стока по реке-аналогу.

'идрологический расчет можно разделить на два этапа. Гидрологический расчет для оеки-аналога и получение параметров, которые будут перенесены на створы заданной реки и "идрологические расчеты для створов заданной реки. Методами гидрологии проводится разделение наземной и подзем--юй составляющих стока реки.

гидравлические расчеты для малых рек Гидравлические расчеты в естественных руслах до сих пор являются редко встречаемым разделом водохозяйственных проектов. В тоже зремя многие водопользователи имеют определенные требования к уровненному режиму рек, скоростям течения и т.д. В эбосновании противопаводковых мероприятий и условий зункционирования водозаборов также необходимы данные, ко-"орые в процессе проектирования можно получить лишь в "идравлических расчетах для естественных русел. Задача "идравлического расчета обычно сводится к построению за-¡исимостей скорости и расхода воды при заданной форме

русла от уровня воды в реке. Один из практических пут решения задачи для естественных русел был предложен и и следован И.Ф.Карасевым [1970], который предложил находи раздельно скорости течения воды в основном русле и пойме, используя для связи уравнения баланса импульс Исходя из обычных для гидравлических расчетов предпосыЛ' уравнения сохранения импульса можно записать в виде: Д. поймы:

p(f„cos a-v)fixR =

( ту2 Л

Хи

V

RiJ —

Мл-1

\ CuJ у\л

К.

Для русла (при наличии левой и правой пойм):

V¡'\Xn

<p{h»Rtyu cos « - Vp) + hnR(vt„ cosa - Vpj\ = I -

Vr

где - коэффициент массообмена, Cú,,Cjn,CR_ коэффициен-

Шези, ^-rn'R-in'R-R - гидравлические радиусы, Хи'Хш'Хр смоченные периметры, соответственно, для левой, прав< пойм и русла, a - угол наклона продольной скорос течения на пойме к течению в русле, i - номер поймы. Математические модели условий освещенности. Прямая и ра< сеянная солнечная коротковолновая радиация, падающая i водную поверхность частично отражается этой поверхност! и поглощается самым верхним слоем. Остальная радиащ проникает в воду, где также рассеивается и поглощает! взвешенными и растворенными веществами, а также триптонс и фитопланктоном. При расчетах фотосинтеза требуется д< полнительное усреднение параметров или функций зависящ1 от радиации по сечению русла либо по дну реки. Моделирование процессов Фотосинтеза. Фотосинтез завис! от многих факторов окружающей среды, из которых наибол^ значимыми являются - интенсивность ФАР, температура, концентрация лимитирующего элемента питания. Локальнг мгновенная интенсивность фотосинтеза задается как прои; ведение трех функций:

Ф = R х F(I) х Т(0 х Р(с) ,

где R- коэффициент; F(I) - функция интенсивности со/ нечной коротковолновой радиации; T(t) - функция темпера-

ры воды; Р(с) - функция концентрации фосфора в воде. Для фитопланктона и фито перифитона взята часто ис-льзуемая локальная зависимость вида:

al А р = ~-■ а = —— ,

al V

интенсивность ФАР; А,1М - эмпирические параметры. Наиболее универсальная полузмпирическая функция темле-[турной зависимости имеет вид:

: = 0.25* 10'2 X (К2)2 X(l + J1 + 40/K2)2

TUJ -t

i'Hr _г *Exp\K\\-

к

Тщ-t Тш ~ Т0РТ

•2 = Ьп(010) х (Тш - ТОРТ) ,

зрмула полностью определяется тремя параметрами - мини-зльной (Тм!), максимальной (Тш) и оптимальной (ТОРГ) эмпературами.

Зависимость фотосинтеза от содержания питательных эле-энтов обычно представляется в виде:

Iухе Р(с) = -£-,

1 + 1//ХС

г - эмпирический параметр; с - концентрация лимитирующего

лемента минерального питания (обычно - фосфора) в воде. 'оделиоование процессов газообмена с атмосферой. Не мотря на множество теоретических проработок по газообме-у водоемов и атмосферы в конце, как правило, приходят к звестной формуле: = КА X (Сд — С) . При концентрации

ислорода в воде (С) большей, чем равновесная (Сй) для за-анной температуре кислород выделяется в атмосферу и на-борот.

Моделирование процессов внутри водоемного окисления. ногие вещества в воде окисляются растворенным кислоро-10м. Чаще всего этот процесс рассматривают, как кинетику

\

первого порядка, когда интенсивность процесса определяет

ся уравнением: = к0С0 х СБПК , где К0 - скорость реакци

при единичных значениях концентрации реагирующих веществ со - концентрация кислорода; СБПк - концентрация окисляе мых веществ (БПК).

Моделирование функционирования Фитопланктона и Фито пери фитона. Вопросы моделирования популяций в данной работ детально не рассматриваются, а используются известные мо дели типа Вольтерры - Лотке. В уравнениях баланса масс фито и зоопланктона учитываются процессы роста массы фи топланктона за счет процессов фотосинтеза, выедание фито планктона зоопланктоном и уменьшение функционирующей мае сы за счет смертности.

Моделирование процессов расходования кислорода на дн рек. По-видимому, потому, что процесс поглощения кислоро да на дне реки имеет очень сложную биофизическую и физи ко-химическую природу в литературе склоняются к мысли том, что на данном этапе наших знаний достаточно учест простой моделью массообмена.

Аппроксимирующие свойства модели. Сравнение опытных дан ных по р. Выня и результатов расчета по модели приведеь на рис.8. Данный расчет показывает, что балансовая модег удовлетворительно описывает наблюдения при соответствук щем подборе параметров в допустимых пределах.

ГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ. РАСЧЕТНАЯ СХЕМАТИЗАЦИЯ И ПРОГНОЗИРОВ; НИЕ КАЧЕСТВА ВОД МАЛЫХ РЕК

Схематизация морфометрии водных объектов.

Схематизация поперечного профиля русла Реки. Основнс целью схематизации формы русел является аппроксимац1< поперечного профиля реки аналитическими функциями и ис пользование их в гидравлических расчетах при определен!-скоростей течений реки, границ затопления и т.д. Затопле ние пойм меняет режим течения в основном русле и поэтоп схематизация поперечного профиля реки должна включать схематизацию пойм.

Геометрические формы поперечных сечений весьма разнооС разны. Поэтому аппроксимирующие функции должны быть дос-

СУТОЧНЫЙ ХОД РАСЧЕТНЫХ ВЕЛИЧИН

Кислород, ВПК, биогены, биомасса

Рис.8. Результаты сравнения рассчитанных и измеренных концентрации кислорода

аточно .универсальны. Широкое распространение в гидрав-1ческих расчетах получили трапецеидальные, парабо-^ческие представления формы основного русла, т.е. ис-зльзование или кусочно-линейной или кусочно-зраболической аппроксимации. В аналитическом представле-1и формы русла реки вместе с поймой можно ограничится /сочно-линейной аппроксимацией (описания пойм с помощью грезков прямых линий).

хематиэаиия продольного профиля реки. Целью схематизации зодольного профиля реки является универсальное анали-1ческое описание геометрии реки с возможностью создания 13 данных для характерных створов и точек. Представление юдольного профиля реки как пространственной линии пока эедставляется единственно возможным.

Другим классом отдельных точек на продольном профиле жи будут расчетные створы, к которым относятся: а) впа-;ние притоков и каналов в реки; б) створы водозаборов из жи, в том числе и самотечных каналов; в) створы водо

сбросных водохозяйственных сооружений; г) устье или зг вершающий расчетный створ; д) точки впадения реки в озер и водохранилища; е) створы плотин и плотинных водосбрс сов; ж) створы иных гидротехнических и транспортных сс оружений, в том числе мостов; з) речные пристани; и) кон трольные расчетные створы, например населенные пункты.

Схематизация природно-климатических условий.

Водобалансовые, гидрохимические и др. расчеты потребу ют схематизации не только отдельных створов, но участков рек отличающихся по определенным признакам, таким признакам относятся: 1) Химизм наземного и подзе!» ного стока; 2) Участки протекания реки по особо выделеь ным территориям, например по заповедникам; 3) Участ* разного геологического строения русла и пойм. Такр участки будут характеризоваться двум точками на продол* ном профиле. Каждая точка продольного профиля связана таблицами дополнительной информации, например с результг тами гидрологических расчетов или ионным составом назе* ного и подземного стока. Следуя современной терминологт схематизации продольного профиля реки представляет соб( многоплановую базу данных разнородных элементов.

В работе рассмотрены вопросы климатического районирс вания бассейна реки. Отмечается что малые реки обычно полностью лежат в одном климатическом районе, и требуете учет микроклиматических условий по отношению к ближайш* метеостанции. Здесь рекомендуется использование эмт рических формул. Для расчетов качества воды в верховы р. Неман использованы приведенные выше эмпирические ypai нения.

Прогнозирование экологического состояния поверхностных вод

Все исходные данные необходимые для прогнозирован! гидрохимического режима рек бассейна заносятся в табли! базы данных. База данных представлена для пользовате. многостраничным вариантом таблиц Microsoft Excel. Вну ренняя структура информационных баз, обеспечивающ! максимальную скорость расчета, скрыта от пользователе! Среди таблиц базы данных важнейшими являются следующие:

пощади водосборов и длины рек; 2.0бемы водозабора и осных вод; 3. Химический состав поверхностных, грунто-и сбросных вод; 4. Гидрологические данные по реке ана-у; 5.Метеорологические параметры;б.Гидравлические па-этры русла и пойм. Формы исходных таблиц даются в при-знии к диссертации.

При создании программы прогнозирования гидрохи-эского режима рек использована концепция Геоиформаци-ых систем с возможностями оцифровки картографического эриала и векторной обработки результатов. Эболочка ГИС «Бассейн реки» приводится на рис.9 ультаты расчета представляются в виде таблиц водохо-зтвенных и гидрохимических балансов. Первичный анализ элняется в графической системе ГИС. Один из вариантов нета приведен на рис.10. Светлым цветом показаны :тки реки, удовлетворяющие норме качества, затемнены :тки рек, где нормативы не выполняются. Разный уро-э нарушения норм фиксируется своим цветом. Возможно горное совмещение разных критериев на одной схеме, честно и исходными таблицами по результатам расчета 1ются выводы о возможных способах управления качеством Как правило, наиболее эффективным способом, позволим существенно улучшить состояние, является очистка зсов. В тоже время не всегда существуют технические зства, очищающие воды до требуемого качества. В этих паях требуется ограничить сбросы. Как один, так и дру-вариант обосновывается расчетами качества воды при знении базы данных в таблице объемов и концентраций юных вод.

Зопросы управления водохозяйственными балансами также иотся в рамках разработанной ГИС

жемаштс "сассШ! реки; ______;■'■; " > л .:

0В1ЩЯ ИН<ЬОРМАЦИЯ ХХ.Н ' У Ахон > В : -■ | ::7 - ) в *Т

НХП

НАЗВАНИЕ ОБЪЕКТА

ДАННЫЕ

.1 2 3 Верхний левый увол 5 4

Правый нижний дгол 1353 1715

„ Рассвоякма по аориз ц Вер». 190 246 Ин$>о ^^ьак» АРекч Д'-СийошД2''-'' "- : ч .

Рис.9. Оболочка ГИС.

|С/ПДК >2

• ••с/пдк < 2

--С/ПДК < 1

''------

7

*

V \

V.

^ *

_у

/

н. и *

■ Г*4- V

Рис.10. Схема качества вод. - 24 -

ВКЛЮЧЕНИЕ

, На современном этапе развития, при возрастающих антропогенных нагрузках на окружающую среду, и особо на водные объекты, остро стоит вопрос совершенствовании методов прогнозирования качества поверхностных вод.

. Эксперименты с природными системами сложны, а иногда и невозможны из-за малой скорости природных процессов, 11 тогда методы моделирования становиться основным средством исследований таких систем.

. Объектом исследования является верховье р.Неман. Хозяйственная освоенность рассматриваемой территории высока.

Проведенные экпериментальные исследования показали, что на ряде участков обследованных рек,как правило, связанных с поселками и животноводческими комплексами, качество воды не удовлетворяет существующим нормативам. Воды верховий Немана в среднем можно отнести к классу «Удовлетворительной чистоты».

Экспериментальные исследования, проведенные на р.Выня, подтвердили гипотезу о существенном выравнивании температур и содержания растворенного кислорода по профилю реки за счет турбулентности.

Найдены эмпирические связи между метеорологическими элементами, а также параметры законов освещенности под поверхностью воды.

Получены дифференциальные уравнения баланса массы, позволяющие рассчитывать содержание химических элементов, концентраций зоо и фитопланктона на разных расстояниях от истока реки. На опытных данных проведена проверка аппроксимирующих свойств, основанной на этих уравнениях, гидрохимической модели.

Для практического использования построенной математической модели гидрохимического режима воды в малых реках рассмотрены вопросы схематизации морфологии, мор-фометрии малых рек и природно-климатических условий.

). Расчеты выполнялись в рамках созданной ГИС и качественно подтвердили наблюдаемое состояние поверхностных вод верховий Немана и возможность управления их качеством.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ

1. Никитенков Б.Ф., Лагутина Н.В. Моделирование гидрохи мического и гидробиологических процессов в малых река верховий Немана. Тезисы докладов. Научно-техническа конференция, 1998 г., Москва, МГУП.

2. Никитенков Б.Ф., Лагутина Н.В. Гидравлические расчет для малых рек в рамках составления схем КИОВР. Тезис докладов. Научно-техническая конференция, 1998 г. , Мо сква, МГУП.

3. Никитенков Б.Ф., Лагутина Н.В. Возможности Учебной ГИ для студентов МГУП по специальности КИОВР. Тезисы док ладов. Научно-техническая конференция, 1998 г., Москва МГУП.

4. Лагутина Н.В. Оценка экологической ситуации в верховь ях р. Неман по результатам гидрохимического обследова ния. Тезисы докладов. Научно-техническая конференция 1997 г., Москва, МГУП.

5. Лагутина Н.В. Организация наблюдений за суточным ходо абиотических факторов водных экосистем. Тезисы докла дов. Научно-техническая конференция, 1997 г., Москва МГУП.