Разработка математической модели и программного



страница1/6
Дата01.05.2016
Размер0.63 Mb.
ТипРеферат
  1   2   3   4   5   6

РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ И ПРОГРАММНОГО

ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДЛЯ РАСЧЕТА ПРОЦЕССА ПЕРЕНОСА

ЗАГРЯЗНЕНИЙ ПО ВОДОТОКАМ ВОЛЖСКОГО БАССЕЙНА

Аннотация.

Излагается первая версий компьютерной программы «ВсеВолга» («AllVolga»), предназначенной для оценки качества вод и эффективности водоохранных мероприятий в бассейне реки. Программа, реализованная на языке Q-Basic, основана на решении системы обыкновенных дифференциальных уравнений, описывающих перенос загрязняющих веществ (ЗВ) по разветвленной системе водотоков произвольной конфигурации.
Alexey V. Gotovtsev , Cand. Sci. (Physics and Mathematics)

Volga’s Drainage – Basin Model

Annotation.

The first version of the computer program “AllVolga”, developed to evaluate water quality and efficiency of water conservation measures allows for the analysis of the effect of different realizations of natural conditions, anthropogenic loads and water conservation measures on water bodies. The program, realized on Q-basic, is based on a system of ordinary differential equations describing pollutant transport along diversified system of streamflows any configuration. Program allows not only to calculate water quality parameters according to different criteria (maximum permissible concentrations of pollutants, restricting hazard indices, class of water, etc) under the assigned anthropogenic load, but to select places for the construction of water treatment plants, their type and capacity.

Содержание

Введение………………………………………………………………… ………4

Краткая географическая и хозяйственно-экономическая

характеристика Волжского бассейна …………………………………………..5

Схематизация системы водотоков и водохранилищ Волжского бассейна ….7

Блок «Расчет отдельного участка русла» …………………………………… 13

Блок «Расчет фонового загрязнения» ……………………………………… ..15

Блок «Агрегированный коллекторный участок сточных вод»…………….. 16

Блок «Калибровка модели» 17

Выбор местоположения, типа и мощности агрегированных

очистных сооружений……………………………………………………… .. 19

Выбор уникальных расчетных агрегированных

очистных сооружений (УРАОС) ………………………………………… . ..20

Процедура определения типа и мощности УРАОС …………………… … 25

Исходная информация модели …………………………………………… …26

Расчетные сценарии ……………………………………………………… … . 27

Приложение I. Договорная документация……………………………… … .. 30

Приложение II. Инструкция по подготовке исходных данных

к программе "ВсеВолга» 43

1. Формальное описание алгоритма схематизации речной сети………….....44

2. Формирование файлов исходной информации

для программы «ВсеВолга»……………………………………………… 45

3. Описание структуры и содержания файлов исходной информации…… 45

3.1 Структура и содержание файла управляющих параметров ………… …46

3.2 Структура и содержание файла нормативных данных……………… ….47

3.3. Структура и содержание файла базовых данных………………………..48

Приложение III. Результаты расчетов по тестовым сценариям……………. 57

Сценарий № 1. Перенос БПК в отсутствии фоновых ЗВ . Режим наблю-дательный (т.е. без калибровки и без выбора очистных сооружений …… ..57

Сценарий № 2 Перенос БПК при наличии фоновых ЗВ,

режим наблюдательный…………………………………….………………….62

Сценарий № 3… Перенос БПК при наличии фоновых ЗВ,

режим выбора очистных сооружений …………………….…………………..67

Сценарий № 4 Перенос БПК при наличии фоновых ЗВ,

режим калибровки …………………………………………………………….73

Сценарий № 5 Перенос азота при наличии фоновых ЗВ,

режим выбора очистных сооружений………………………………………...78

Сценарий № 6 Перенос железа при наличии фоновых ЗВ,

режим выбора очистных сооружений ………………………………………...84

Сценарий № 7 Перенос нефти при наличии фоновых ЗВ,

режим выбора очистных сооружений …………………………………..…….90

Сценарий № 8 Перенос фосфора при наличии фоновых ЗВ,

режим выбора очистных сооружений … ……………………………………..96

Выводы…………………………………………………………………………102

Введение

Волга впадает в Каспийское море.

И в нем полностью испаряется.

А грязь, которую Человек

сбрасывает в Волгу,

разлагается по дороге.

Но не полностью.

(Рабочая гипотеза)
Представляемая модель описывает не самую приятную, точнее сказать -совсем неприятную сторону функционирования великой реки, о которой, если можно, хотелось бы забыть и не вспоминать. Хорошо и приятно рассуждать о том, что Волга -великая транспортная артерия, сложная водохозяйственная система, источник электроэнергии, белой рыбы и черной икры, зона отдыха и туризма... Но здесь для моделирования выбрана весьма специфическая функция великой реки - не транспортная, не энергетическая, не рыбохозяйственная, не туристическая, а ...ассенизационная, поскольку, помимо всего прочего, человек использует Волгу еще и в качестве великого ассенизационного коллектора сточных вод.

Таким образом, основное предназначение представляемой модели - показать как переносятся и трансформируются (разлагаются, вступают в соединения, оседают на дно и т.д.) различные загрязняющие вещества (ЗВ). Но не только созерцательные потребности человека должна удовлетворить эта модель. Человеку активному, а точнее «Лицу принимающему решения» (ЛПР), модель должна подсказать где, когда и какие мероприятия надо провести, чтобы качество воды было на должном уровне, а стоимость мероприятий при этом была бы минимальной или, по крайней мере, находилась бы в «пределах разумного».

Модель «ВсеВолга» является развитием моделей «Волга-16» и «Волга-29» [Готовцев, (а)], выполненной автором в 1998-2001. Модель предназначена для анализа воздействий различных вариантов антропогенных нагрузок и водоохранных мероприятий на водные объекты, а также различных реализаций природных условий на всей площади бассейна На первом этапе рассматриваются стационарные потоки воды и загрязняющих веществ.

В процессе построения имитационной модели определилась перспектива превращение ее из имитационной в имитационно-оптимизационную. В модели был реализован алгоритм оптимизации по критерию минимума суммарной мощности вновь вводимых очистных сооружений (что, в некоторых частных случаях, совпадает с критериями минимума капитальных и/или приведенных затрат) при выполнении ограничений на концентрацию ЗВ в заданных створах Волги, Москвы-реки, Клязьмы, Оки, Камы и Вятки. Таким образом, программа «ВсеВолга» позволяет не только рассчитывать качество воды, но и выбирать места (створы) строительства очистных сооружений, их тип и мощность, необходимые для выполнения заданных ограничений на концентрации всех расчетных видов ЗВ во всех 29 контролируемых створах.



Краткая географическая и хозяйственно-экономическая характеристика Волжского бассейна

«Представление о Волге как о самой крупной реке в Европе, вытекающей из озера Волго и через 3530 км впадающей в Каспийское море, относится к разряду прописных истин. А вот об истинном состоянии этой водно-ресурсной системы мало кто знает. За более чем двухсотлетнюю историю реконструкции Волги-реки этот уникальный по своим параметрам и значимости для страны водный объект превратился в природно-техническую систему, обеспечивающую водными ресурсами и электроэнергией целые отрасли хозяйства, а также миллионы отдельных потребителей. Нельзя не напомнить, что бассейн Волги занимает более 60 % самой населенной и экономически развитой Европейской части страны. Только на нужды населения, промышленности и сельского хозяйства здесь ежегодно забирается из водных источников около 30 км3 свежей воды. На гидроэлектростанциях Волжско-Камского каскада ежегодно производится до 40 млрд. кВт час электроэнергии, грузооборот речного транспорта в лучшие годы достигал 260 млн. т в год. В бассейне Волги действует в настоящее время более 120 крупных гидроузлов с плотинами, водохранилищами и каналами, коренным образом изменившими естественные гидрологические процессы в речной сети» [Великанов].

Волга имеет относительно небольшое общее падение уровня (256 м) – от 228 м у истока на Валдайской возвышенности до 28 м ниже уровня океана в устье у Каспийского моря. Водосборная площадь бассейна составляет 1360 тыс. км2. Волга принимает около 200 притоков, причем левые притоки многочисленнее и полноводнее правых. Речная система бассейна Волги включает 151 тыс. водотоков (реки, ручьи и временные водотоки) общей протяженностью 574 тыс. км.

Бассейн Волги принято делить на 3 части: Верхнюю Волгу (от истока до впадения Оки), Среднюю Волгу (от впадения Оки до впадения Камы) и Нижнюю Волгу (от впадения Камы до Каспийского моря). Главнейшие притоки верхней Волги - Селижаровка, Тверца, Молога, Шексна и Унжа. Наиболее крупные притоки Волги в ее среднем течении - Ока, Сура, Ветлуга и Свияга. В нижнем течении, после впадения Камы, Волга принимает сравнительно небольшие притоки - Самару, Большой Иргиз, Еруслан. На широте Саратова бассейн резко суживается и от Камышина до Каспийского моря Волга течет, не имея притоков. Среднегодовой расход воды у Верхневолжского гидроузла 29 м3/с, у г. Твери – 182 м3/с, у г. Ярославля – 1110 м3/с, у г. Нижнего Новгорода – 2970 м3/с, у г. Самары – 7720 м3/с, у г. Волгограда - 8060 м3/с. Ниже Волгограда река теряет около 2 % своего расхода на испарение.

В Волге обитает около 70 видов рыб, из них 40 промысловые (важнейшие: вобла, сельдь, лещ, судак, сазан, сом, щука, осетр, стерлядь).

Схематизация системы водотоков и водохранилищ

Волжского бассейна

В качестве объекта моделирования выбрана система водотоков и водохранилищ, включающая русло Волги от Верхневолжского гидроузла (ГУ) до устья (Каспий), два притока первого порядка (р. Ока от г. Калуги до устья и р. Кама от г. Березники до устья) и три притока второго порядка (из них два притока Оки - Москва-река от г. Можайска до г. Коломны и р. Клязьма от г. Владимира до устья и один приток Камы – река Вятка от г. Киров до устья). Cуммарная длина моделируемых водотоков составляет 7190 км. В модель входят все 12 основных водохранилищ Волжской водохозяственно-энергетической системы, в том числе 9 на Волге (Верхневолжское, Иваньковское, Угличское, Рыбинское, Нижегородское, Чебоксарское, Куйбышевское, Саратовское, Волгоградское), 3 – на Каме (Камское, Воткинское, Нижнекамское), а также одно водохранилище на Москве-реке (Перервинское). Поскольку Волга равнинная река, то создание гидроузлов превратило ее в каскад протяженных, примыкающих друг к другу водохранилищ. Общая длина Волжско-Камских водохранилищ составляет около 3500 км, в том числе по створу Волги 2500 км.

На рис. 1 схема основных водотоков бассейна Волги представлена в виде разветвленного графа типа «дерево». Для наглядности схемы и для удобства расчетов нумерация вершин графа выбрана таким образом, чтобы ориентация всех отрезков совпадала с направлением течения воды по этим отрезкам. Так, в качестве конечной (30-ой) вершины выбрано Каспийское море. Правый створ 29-го отрезка, примыкающий к этой вершине, является устьевым конечным расчетным створом.

Ниже (в Инструкции по подготовке исходных данных) будет дан подробный алгоритм принятой системы нумерации дуг и вершин графа. Отметим, что при этой системе нумерации номер произвольной дуги графа совпадает с номером ее начальной вершины, причем в качестве начальной


Рис. 1. Схема бассейна Волги

(Схема находится в отдельном файле Schem_Volga_29.xls )


принимается та из двух примыкающих к данной дуге вершин, у которой наименьший номер.

К начальным вершинам графа (№№ 1, 8, 9, 13,17, 23) так же, как и к конечной вершине (№ 30), примыкает по одному створу (см. рис. 1).

К внутренним вершинам №№ 12, 14, 15, 24, 25, описывающим места слияния рек, примыкают по три створа (один выходящий и два входящих). К остальным внутренним вершинам графа (№№ 2-7, 10, 11, 16, 18-22, 26-29) примыкает по два русловых створа.

Каждому из водохранилищ Волжской системы соответствуют отдельная пара «дуга-вершина», которая располагается таким образом, что примыкающий к вершине створ входящей дуги, как и сама дуга, относятся к верхнему бьефу водохранилища, а примыкающий створ исходящей из вершины дуги соответствует нижнему бьефу. Другими словами, местоположение вершины совпадает с гребнем плотины водохранилища. Это позволяет вычислять расходы загрязняющих веществ и их концентрации как в верхнем, так и нижнем бьефе каждого водохранилища.

Отметим, что универсальная программа «ВсеВолга», генерирующая расчетную схему для любого произвольно заданного числа дуг, дополнительно вводит в расчет утроенное число дуг, фактически «работающих» в модели. Так, например, в данном конкретном случае, помимо 29 русловых участков, изображенных на рис. 1, в расчетную схему входят еще 87 «невидимых» дуг, в том числе 58 ресурсных 29 коллекторных дуг. Из 58 дуг графа, называемых «ресурсными», 29 задают поступление природной воды в систему, а другие 29 дуг определяют приток антропогенной (сточной) воды, содержащей загрязняющие вещества. Еще 29 дуг так называемых «агрегированных коллекторных участков сточных вод» введены для того, чтобы учитывать процесс естественного разложения ЗВ в реальных сточных коллекторах, а также в речных притоках более высокого порядка, чем включенные в схему притоки. Таким образом, модель «Волга-29» фактически аппроксимирует бассейн не только графом с 29 дугами, изображенными на рис. 1, а еще и «метаграфом» (т.е. невидимым для пользователя расширенным графом) со 116 дугами (участками русел и коллекторов) и, соответственно, со 116 расчетными створами.

Поясним, что расчетными называются створы, в которых определяются расходы воды и ЗВ, а также концентрации ЗВ. В соответствии с данным определением расчетными являются начальные и конечные створы исходных 29 дуг, схематизирующих речную сеть, а также начальные и конечные створы дуг, соответствующих так называемым «агрегированным коллекторным участкам сточных вод». Длины коллекторных участков назначаются на основе экспертных оценок либо определяются путем «взвешивания» (по массе транспортируемых ЗВ) длин русел притоков, принадлежащих подвешенному к данному створу участку водосбора. В некоторых частных случаях длина агрегированного коллектора может равняться нулю, такая дуга, по сути, будет являться фиктивной. Дуги, введенные для учета притока природной воды, не имеют такой характеристики как длина, поскольку они определяют лишь дебит водосбора, т.е. приток воды с водосборного участка, «подвешенного» к соответствующей «речной» вершине. Для начальных вершин (№№ 1, 8, 9, 13, 17 и 23) это водосборные участки от истока соответствующих этой начальной вершине рек (Волги, Оки, Клязьмы, Камы и Вятки) до примыкающего к этой вершине створа. Для остальных вершин – это водосборные площади между данной и вышележащей вершинами. Причем к вершинам, определяющим места слияния водотоков (это №№ 12, 14, 15, 24, 25), подвешено по два водосборных участка. Например к вершине № 12 подвешены участки от Коломны до Калуги (по Оке) и от Коломны до Перервинского гидроузла (по Москве-реке); а к вершине № 14 - участки от устья Клязьмы до Коломны (по Оке) и до Владимира (по Клязьме) и т.д. Для остальных внутренних вершин, не являющихся местами слияния рек, подвешено по одному водосборному участку. Например, к вершине № 3 подвешен водосборный участок от Твери до устья реки Вазузы, причем сама Вазуза не входит в этот участок – ее сток попадает непосредственно в вершину № 2.

Формальное описание алгоритма схематизации разветвленной системы водотоков и водохранилищ в виде графа типа «дерево», реализованного в программном комплексе «ВсеВолга» (AllVolga), приводится в Инструкции по подготовке исходных данных (Приложение №5).

На рис. 2 представлена блок-схема модели «Волга-29». Краткое описание отдельных блоков приводится ниже.

Р



  1   2   3   4   5   6


База данных защищена авторским правом ©ekollog.ru 2017
обратиться к администрации

войти | регистрация
    Главная страница


загрузить материал