Водная экосистема представляет собой сложную многокомпонентную биогеотермодинамическую систему. Функции которой определяются комплексом взаимосвязанных и взаимообусловленных явлений и процессов, физической химической и биологической природы. Антропогенное воздействие на водную среду зависит от решений в сельскохозяйственной и промышленной деятельности человека, поэтому необходимо заранее прогнозировать вероятные следы воздействия на водную экосистему без риска для экосистем и необходимых последствий. Построение моделей водных экосистем и необратимых последствий. Построение моделей водных экосистем позволяет проиллюстрировать на единой формальной основе представление о ведущих факторах и данных механизмах определяющих особенности формирования реальной водной экосистемы.

В моделях загрязнения водоемов переменные состояния характеризуют реакцию системы на выявление случайных факторов и характеризуют способность системы к сохранению и осуществлению реальной связи через выходные переменные учитывая воздействие окружающей среды на систему, они могут быть как природными, так и антропогенными. Выходные переменные характеризуют реакцию системы на воздействие окружающей среды. Действие этих переменных в пространстве и времени обычно описывается  при помощи детерминированных, или стохастических функций в зависимости от того можно ли связать определенное значение, или вероятностное распределение возможных значений, зависимых переменных с конкретным значением зависимых переменных. Если необходимо получить какой либо определенный результат, то модель используется для проверки возможных колебаний существующих стратегий (имитационное моделирование).

Внимание!

Если вам нужна помощь с академической работой, то рекомендуем обратиться к профессионалам. Более 70 000 экспертов готовы помочь вам прямо сейчас.

Расчет стоимости Гарантии Отзывы

Математические и иммитационные модели формирования качества воды при условиях антропогенного влияния необходимо разрабатывать или создавать с учетом взаимодействия всех основных факторов и процессов (гидрофизических, гидрохимических, гидробиологических), которые влияют на динамику показателей качества воды.  С помощью математических моделей опр. Или прогнозируют динамику количественных показателей (концентрация) разных веществ на водный и гидрохимический режим водоема, на загрязнение его токсичными и радиоактивными веществами. Основные факторы влияющие на смену концентраций веществ в водоемах, которые учитываются при составлении модели водоема.

  • Смена речного стока, или выпуск воды через плотину ГЭС для водохранилища.
  • Влияние подземного стока.
  • Поступление дренажных вод из мелиоративных систем.
  • Поступление воды и загрязняющих веществ из площади водосбора в виде промышленных и бытовых стоков.
  • Седиментация зависших в воде частиц.
  • Взмучивание донных отложений.
  • Безвозвратное водопотребление.
  • Трансформация веществ в виде физико-химических, радиоактивных преобразований.
  • Выпаривание воды с поверхности.

Для изучения влияния каждого из этих факторов на водно-солевой или гидрохимический режимы водных объектов необходимо использовать основные физические, химические законы, определяющие распределение в воде примесей и построить математическую модель миграций трансформации и накопления веществ отдельных компонентов водной экосистемы, а следовательно и возможного загрязнения.

Основные механизмы распространения вещества в подвижной среде :

  • Растворение и перемешивание в потоке воды и на его границе, увеличение потоком воды частиц вещества, растворенных или перемешанных в этом потоке.
  • Молекулярная или турбулентная диффузия вещества направленные на выравнивание определенного вещества в стоячей или подвижной воде.

Научную базу описания обменных процессов водных экосистем дали работы основоположника математической экологии Алексея Андреевича Ляпунова, крупнейшего русского ученого, стоящего у истоков также и других областей математического моделирования, в том числе математической лингвистики. В работах Ляпунова впервые в одной модели были объединены физические (гидродинамические) и биологические (хищничество) процессы. А.А.Ляпунов подчеркивал важность для экосистем как физической (поглощение энергии света), так и биологической (образование биомассы) роли фотосинтеза. Впервые идеология такого моделирования была разработана в модели экосистемы пелагиали тропических вод океана для 44 рейса научно-исследовательского судна Витязь, задача которого состояла в изучении продуктивности этой системы в рамках международной биологической программы.

Следует заметить, что распространение примесей в водной среде можно описать теми же уравнениями гидрогазодинамики (уравнение турбулентной диффузии), которые применяются для атмосферы, но вследствие сложности учета водного течения и других факторов они плохо пригодны для практического использования. Но, несмотря на это, исследования в этом направлении ведутся, и определенные успехи в этой области уже получены.

Моделирование загрязнения водной среды рассмотрим на примере двух взаимодействующих групп: вода, содержащая растворенный кислород, и сбрасываемые в воду органические отходы. Разложение органических отходов в водной среде происходит под действием бактерий, вызывающих цепь химических реакций, которые протекают с использованием кислорода. Поэтому моделируется взаимосвязь концентрации кислорода и отходов в воде.

Концентрацию отходов часто определяют в специальных единицах измерения — так называемой биохимической потребности кислорода(БПК). БПК равен отношению количества кислорода, необходимого для разложения отходов, к объему воды (мг/л).

Закажите работу от 200 рублей

Если вам нужна помощь с академической работой, то рекомендуем обратиться к профессионалам. Более 70 000 экспертов готовы помочь вам прямо сейчас.

Расчет стоимости Гарантии Отзывы

Скорость разложения отходов пропорциональна их концентрации L (если присутствует достаточно кислорода):

dL/dt = -k1L

где k1 — постоянная отбора кислорода; обычно измеряется в единицах (день)»‘.

Если c0-концентрация кислорода при отсутствии отходов (известная функция от температуры воды), то при поступлении отходов концентрация кислорода с будет меньше c0. Введем разность этих величин D = c0-c, которая будет характеризовать недостаток или дефицит кислорода в водной среде в связи с поступлением в нее органических отходов. Величина D может увеличиваться со временем вследствие поступления (и окисления) отходов и уменьшаться вследствие поглощения кислорода поверхностными слоями воды (этот процесс называется реаэрацией), т. е.

dD/dt = k1L-k2D

где k1L- характеризует процесс окисления отходов, k2D-реаэрацию, k2-постоянная реаэрации, единица ее измерения (день)-1.

Таким образом, получается система из двух уравнений (предложенная впервые Стритом и Фелпсом в 1925 г., но до сих пор широко применяемая в силу своей простоты и одновременно достаточно адекватного описания реальной динамики происходящих процессов; это хороший пример достигнутого компромисса между простотой модели и ее прогностическими возможностями):

dL/dT = -k2L
dD/dt = k1L-k2D

Решение этих уравнений дает:

где L(0)и D(0) -начальные значения при t = 0.

Важный практический вопрос заключается в следующем: какое максимальное обеднение воды кислородом может наблюдаться в данном месте реки или водоема в результате сброса в них органических отходов? Дело в том, что если концентрация кислорода падает ниже некоторого критического уровня, начинают гибнуть организмы (рыбы, ракообразные и др.), обитающие в водной среде. Таким образом может инициироваться цепочка событий, которая способна привести к необратимым последствиям гибели нормальной экологической жизнедеятельности водоема. Максимальный дефицит кислорода Dmax можно определить, приравнивая к нулю производную D'(t) = 0. Отсюда получим:

где L(0)и D(0) -начальные значения концентрации отходов и дефицита кислорода.
Время t связано с расстоянием х от места сброса. Если V — скорость течения реки, тогда х=Vt. В этом случае D(0) — начальное понижение концентрации, обусловленное наличием заводов в верхнем течении реки.

Таким образом, необходимо, чтобы удовлетворялся экологический стандарт или экологический критерий безопасности жизнедеятельности водных организмов:

Закажите работу от 200 рублей

Если вам нужна помощь с академической работой, то рекомендуем обратиться к профессионалам. Более 70 000 экспертов готовы помочь вам прямо сейчас.

Расчет стоимости Гарантии Отзывы

Dmax < Dlim.

Это один из выводов, который можно сделать после применения данной модели к реальным условиям. Кроме того, модель позволяет оптимизировать режимы сброса предприятиями органических отходов в воду.

Еще один довольно простой способ количественной оценки поступления загрязняющих веществ в водный объект от рассредоточенных источников ос­нован на использовании показателя, который в англоязычной литературе на­зывается Unit Area Load, т. е. нагрузка с единичной площади. В работах отече­ственных авторов эту характеристику водосбора, измеряемую в единицах [ML-2 Т-1], например, 1 кг/(га год), называют модулем стока поллютанта или модулем химического стока  — по аналогии с применяемым в гидрологии моду­лем водного стока. Модуль стока загрязняющего вещества определяет количе­ство поллютанта, поступающего с единицы площади водосборного бассейна через его замыкающий створ в единицу времени. Ежегодная нагрузка с иссле­дуемого водосбора рассчитывается умножением данного показателя на пло­щадь водосборной территории.

Рассчитать модуль химического стока позволяют изме­рения количества загрязняющего вещества, проходящего с водой за опреде­ленный период времени Δt через замыкающий створ изучаемого водосбора, т. е. измерения нагрузки. Нагрузку L с выбранного водосбора (в единицах мас­сы) можно рассчитать, например, следующим образом:

L=<c>QdΔt,

где <с>-   среднее значение концентрации вещества (кг/ м3) в замыкающем створе исследуемой территории, рассчитанное на основе регу­лярных (например, ежедневных) наблюдений в течение опреде­ленного периода;

Qd —   среднесуточный расход воды (м3 /с), наблюдаемый одновременно с концентрацией.

Вполне очевидно, что такая простейшая оценка величины L может быть верной лишь при относительно постоянных значениях расхода и концентрации или при малых Δtt в то время как для большинства случаев она представляется весьма сомнительной.

Более корректный путь оценки нагрузки с водосборного бассейна требует прежде всего установить соответствие между концентрацией вещества и рас­ходом воды в замыкающем створе. Это может быть сде­лано с помощью построения зависимости «концентрация — расход» и нахож­дения затем, например, уравнения регрессии по методу наименьших квадра­тов. В общем случае искомая зависимость заведомо будет нелинейной, и, как минимум, возможны следующие варианты.

1. Концентрация (средняя) достаточно постоянна и не зависит от расхода, т. е. <с>≈c0. Соответственно, суточная нагрузка с водосбора ld будет про­порциональна суточному расходу воды:

Нужна работа? Есть решение!

Более 70 000 экспертов: преподавателей и доцентов вузов готовы помочь вам в написании работы прямо сейчас.

Расчет стоимости Гарантии Отзывы

ld =< с >Qd = c0× Qd,  кг/сут.

2. Концентрация < с > обратно пропорциональна расходу, т. е.

<с>≈ а1/ Qd.

В зтом случае

ld =<c> Qd =a1, кг/сут.

3. Средняя концентрация пропорциональна расходу, т. е.

<с>≈ а2× Qd

отсюда следует, что

ld =< с >Qd = а2×  , кг/сут.

В более общем случае показатель степени в последнем выражении может отличаться от 2.

4. Более правдоподобный в реальной ситуации вариант, когда связь «кон­центрация — расход» представляется комбинацией всех рассмотренных случаев:

<с>≈c01/ Qd2· ,

ld =< с >Qd ≈ c0Qd12  , кг/сут,

где, вообще говоря, b>1.

Годовой объем выноса вещества (годовая нагрузка Ly) с водосбора может быть рассчитана следующим образом:

Ly = c0Qy + 365a1 + a2S  , кг/год,

где Qy  —  годовой водный сток в исследуемом створе.

Если вклад точечных источников в рассчитанную таким образом нагрузку можно считать пренебрежимо малым, то модуль стока поллютанта Y с водо­сбора площади A будет определяться следующим выражением:

Y = Lу /А = c0Qy /А +365а1/А +(a2/A)S  , кг/(га·год).  (3.1)

Общий метод определения модуля химического стока состоит в непре­рывном измерении в течение некоторого времени Т = Т2— Т1 расхода Q и кон­центрации с изучаемого вещества в замыкающем створе выбранного водосбо­ра площади А. Коэффициент химического стока Y рассчитывается затем как усредненная величина

Нужна работа? Есть решение!

Более 70 000 экспертов: преподавателей и доцентов вузов готовы помочь вам в написании работы прямо сейчас.

Расчет стоимости Гарантии Отзывы

где Т1 и Т2 — моменты начала и конца периода наблюдений Т.

Поскольку непрерывные измерения концентрации в воде не проводятся, это выражение следовало бы представить в виде какой-нибудь квадратурной формулы.  Например,  аппроксимируя  интеграл формулой трапеций,  можно записать:

Здесь: сi и Qi  —     значения концентрации и расхода воды, полученные в резуль­тате i-го измерения;

п —   число измерений;

Lj —   нагрузка на исследуемый водоток от i-го точечного источника за изучаемый период времени Т.

В последнем выражении возможный вклад точечных источников уже выделен, так что величина Y, определенная таким образом, характеризует исключитель­но диффузное загрязнение.

Теоретически простая методика оценки величины нагрузки на водные объекты па основе понятия о модуле стока загрязняющего вещества на прак­тике сопряжена с серьезными трудностями. Первая состоит в самой оценке этого коэффициента. Дело в том, что обеспечить непрерывные или достаточно частые измерения величины концентрации, как правило, бывает невозможно слишком дорого. Поэтому частота, с которой проводятся измерения расходов Qi и концентраций сi, обычно бывает равной. Например, отбор проб воды для определения концентрации химического вещества производится только через какие-то интервалы времени, в то время как измерения расхода могут быть до­вольно частыми, почти непрерывными. Поэтому при расчете модуля стока па основе уравнения приходится использовать какие-то предположения о связи «концентрация-расход». Установить статистически достоверно эту связь на основе одновременных измерений величин Q и с практически невоз­можно из-за того, что концентрация загрязнения в створе измерений опреде­ляется слишком многими условиями, зависит от большого числа самых разных факторов.

Еще одна проблема состоит в том, что данный метод расчета может быть использован лишь для консервативных веществ, не подверженных процессам трансформации, таким как распад, химические реакции, потребление расте­ниями и т. д. Легко попять, что такие консервативных веществ в действитель­ности вообще не существует. Следовательно, модуль химического стока, опре­деленный описанным выше способом, может отражать ситуацию только на том водосборе и только в тот момент времени, когда производилось измере­ние, и строго говоря, не может применяться не только к другим водосборным бассейнам, но даже к этому же водосбору в других гидрологических условиях.

Среди многих факторов и процессов, оказывающие влияние на судьбу загрязняющих веществ при их прохождении от источника до точки наблюдения — длина пути транспортировки поллютанта, которая в данном случае определяется размером водосбора и его гидролого-геологическим и особенностями, яв­ляется одной из важнейших характеристик. Следовательно, использовать зна­чение модуля стока загрязняющего вещества, полученное для одного водо­сборного бассейна, для оценки величины рассредоточенной нагрузки с площади другого водосбора следует весьма и весьма осторожно, лишь убедившись, что размеры водосборных бассейнов близки, а гидрологические и гидрометео­рологические условия и типы землепользования в них аналогичны.

Скидка 100 рублей на первый заказ!

Акция для новых клиентов! Разместите заказ или сделайте расчет стоимости и получите 100 рублей. Деньги будут зачислены на счет в личном кабинете.

Узнать стоимость Гарантии Отзывы