Автореферат (1151768)
Текст из файла
На правах рукописи
ГУСЕВ АЛЕКСЕЙ ЕВГЕНЬЕВИЧ
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПЕРЕНОСА АЗОТНЫХ
СОЕДИНЕНИЙ В ВОДОТОКАХ
Специальность–06.01.02–«Мелиорация, рекультивация и охрана земель»
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Москва - 2011
Работа выполнена в Государственном научном учреждении Всероссийский научно-исследовательский институт гидротехники и мелиорации им. А.Н.Костякова (ГНУ ВНИИГиМ) Россельхозакадемии.
Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент
Волынов Михаил Анатольевич
Официальные оппоненты: доктор технических наук
Хранович Иосиф Лазаревич
кандидат геолого-минералогических наук
Коломийцев Николай Владимирович
Ведущая организация: ГОУ ВПО Московский государственный
университет природообустройства
Защита состоится «24» ноября 2011 года в 11:00 часов на заседании диссертационного совета Д 006.038.01 в Государственном Научном Учреждении Всероссийский научно-исследовательский институт гидротехники и мелиорации им. А.Н. Костякова по адресу: 127550, Москва, ул. Большая Академическая, 44, к.504
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНУ ВНИИГиМ.
Автореферат разослан «21» октября 2011 года
У
ченый секретарь
диссертационного совета,
доктор технических наук Исаева С.Д.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы. Проблема сохранения природных вод, их качества и ресурсного потенциала водосборов особенно актуальна для промышленно развитых стран мира и, в том числе, для Российской Федерации. Обострение экологических проблем, связанных с ухудшением состояния водных объектов под влиянием антропогенной нагрузки, определяет необходимость получения максимально точной и достоверной информации об источниках загрязнения, объемах поступления и распространении загрязняющих веществ.
Одним из требований методических указаний по разработке нормативов допустимого воздействия на водные объекты, разработанных в соответствии с Постановлением Правительства Российской Федерации от 30 декабря 2006 № 881 «О порядке утверждения нормативов допустимого воздействия на водные объекты» и утвержденных приказом МПР от 12.12.2007 № 328, является определение общей массы привноса в водный объект или его часть загрязняющих химических и иных веществ с учетом всех источников воздействия, особенностей миграции и трансформации веществ, а также транзитного поступления загрязняющих веществ. При планировании ряда водохозяйственных мероприятий важное практическое значение имеет объективная оценка и прогноз пространственно-временной изменчивости качества вод. Создание математической модели, адекватно отображающей процессы распространения загрязняющих веществ (ЗВ) в водотоке, определяет актуальность исследований данного направления.
Цели и задачи исследований. Целью исследований является разработка расчетных методов, математических моделей и программных средств для прогнозирования распространения загрязняющих веществ (азотных соединений) в руслах рек и каналов.
Для достижения поставленной цели были решены следующие основные задачи:
1) изучить основные процессы, связанные с распространением загрязняющих веществ в водотоке при точечном и диффузном стоке загрязняющих веществ;
2) выполнить анализ современных методов прогнозирования распространения загрязнителей в водной среде;
3) провести натурные экспериментальные исследования динамики распространения примесей, а именно, азотных соединений в магистральном канале;
4) разработать модель переноса и трансформации загрязняющих веществ в водотоке;
5) разработать алгоритм расчета диффузного стока на основе данных натурных наблюдений;
6) выполнить сравнительный анализ результатов прогнозирования распространения загрязняющих веществ, полученных с помощью разработанной методики и других моделей (программного комплекса MIKE 11), используя для сравнения результаты прямых измерений;
7) рассчитать контрольный пример распространения азотных соединений на основе натурных данных р. Оки.
Методология и методика исследований. Методологической основой исследований являются совокупность принципов и научных положений, применяемых в мелиорации и водном хозяйстве, а также методы математического моделирования, уравнения математической физики, гидродинамики и гидравлики, численный эксперимент и теоретическое обобщение. Натурные исследования проводились на экополигоне «Мещера» ОПХ «Полково» и включали измерения распространения загрязнителей в водотоке путем отбора проб и их химического анализа, а также прямые измерения характеристик потока воды с помощью специальной аппаратуры.
Научная новизна исследований состоит в предложенном теоретическом обосновании и практической реализации метода прогнозирования распространения загрязнителей в водной среде, основанного на аналитическом и численном решении одномерного нестационарного уравнения конвективно-диффузионного переноса растворенных веществ для случаев точечного и диффузного попадания вещества в водоток.
В результате исследований определены гидрологические и гидравлические характеристики водотока и условия распространения загрязняющих веществ, при которых обеспечивается необходимая точность и достоверность расчетов для решения мелиоративных и природоохранных задач. Разработан набор программных средств для решения наиболее востребованных эколого-мелиоративных вариантов прогноза динамики процессов переноса растворенных в воде веществ. В натурных экспериментах и с помощью математических моделей изучено распространение азотных соединений в магистральном канале при сосредоточенном (из дрен) и диффузном (грунтовое питание и поверхностный смыв) попадании в водоток.
На защиту выносятся следующие основные положения:
- закономерности влияния гидравлического режима, факторов самоочищения и поступления соединений азота на динамику их движения в открытом русле;
- аналитическое решение одномерного нестационарного уравнения конвективно-диффузионного переноса неконсервативных примесей;
- алгоритм расчета диффузного стока и коэффициента скорости распада загрязняющих веществ в водотоке;
- методика прогнозирования распространения неконсервативных примесей в водотоке при точечном и диффузном сбросе, а также в местах отбора водных ресурсов из малых рек, используемых для орошения земель сельскохозяйственного назначения.
Практическая значимость. Разработанный метод оценки распространения растворенных загрязнителей в водной среде, включающий модели, численные схемы расчета и программы для персонального компьютера, может быть использован для повышения обоснованности принятия решений при комплексном управлении водохозяйственными системами, в том числе для обоснования мест размещения водозаборов питьевого и сельскохозяйственного водоснабжения и сброса дренажных вод с учетом колебаний его объемов, химического состава, концентраций, а также изменений характеристик гидрологического режима водного объекта.
Разработанные модели могут быть применены для анализа данных мониторинга качества воды и гидрологического режима малых рек с целью определения экологической устойчивости водного объекта и предотвращения его деградации на основе количественных оценок самоочистки вод при различных антропогенных нагрузках и в зависимости от сезона года. Кроме того, этот подход может быть использован при проектировании систем биологической очистки дренажных и других сбросных вод, а также для определения экологически безопасных мест размещения водозаборов и водоотведения для водоснабжения гидромелиоративных систем.
Личный вклад автора. В диссертации представлены результаты собственных исследований в области распространения загрязнителей в водотоке: анализ и обобщение литературных источников по данной проблеме; изучение и освоение экспериментальных полевых и лабораторных методов определения качества воды и гидравлического режима потока; освоение программного комплекса (MIKE11); формализация модели и аналитического решения одномерного уравнения конвективно-диффузионного переноса; вывод алгоритма расчета диффузного стока, проведение численных экспериментов с моделями, анализ и обобщение полученных численных материалов.
Апробация работы. Материалы исследований докладывались и обсуждались на секции Ученого Совету ГНУ ВНИИГиМ «Водное хозяйство» (2005-2011 гг.). Основные результаты докладывались: в 2009г. на 58 научно-технической конференции МИРЭА, подсекции «Комплексы моделирования природоохранной деятельности»; в 2011г. на 9-ой международной конференции МГУ «Государственное управление в XXI веке: традиции и инновации», в рабочей группе «Управление природными ресурсами в условиях перехода к устойчивому развитию».
Публикации. Основные результаты работы опубликованы в 7 научных работах, в том числе 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК по данной специальности.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав и выводов, изложена на 115 стр. машинописного текста, иллюстрирована 27 рисунками, содержит 19 таблиц. Список литературы включает 114 наименований литературных источников на русском языке и 43 на иностранных языках.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, определены цели и задачи исследований, отмечены научная новизна и практическая значимость диссертационной работы.
В первой главе на основе обзора и анализа отечественной и зарубежной литературы рассматриваются основные факторы загрязнения водных объектов, которые в большинстве случаев обуславливаются суммарным воздействием семи основных источников: естественного стока, поверхностного смыва с сельскохозяйственных угодий, сбросом дренажных вод, сбросом сточных вод объектов животноводства, поверхностным смывом с застроенных территорий, сбросом промышленных и коммунально-бытовых сточных вод, а также вторичным загрязнением. Самыми распространенными элементами загрязнения вод на территории Центрального Федерального Округа являются азотсодержащие компоненты, доля загрязнения которых составляет 28%, а главным источником поступления в речную сеть таких биогенных элементов как азот, является поверхностный сток с сельскохозяйственных угодий.
Отдельно рассматривается роль диффузных источников в загрязнении водных объектов. Исследования в США показали, что в 76% случаев определяющим фактором загрязнения воды были неточечные источники [Shortle, J.S. 1984.], а по данным Агентства по охране окружающей среды США (U.S.EPA), сельское хозяйство в этой стране к концу 70-х годов стало основным источником диффузного загрязнения рек.
В государственном докладе «О состоянии и использовании водных ресурсов Российской Федерации в 2009 году» [Государственный доклад, 2010] отмечается, что одним из инструментов реализации задач в рамках охраны и восстановления водных объектов является разработка научных методов оценки объемов и степени негативного влияния рассредоточенного (диффузного) стока с хозяйственно освоенных территорий и технологических решений по его сокращению.
Процессы формирования диффузного стока характеризуются рядом особенностей, осложняющих контроль над источниками загрязнения и обуславливающих проблемы, которые необходимо решать при разработке и реализации водоохранных мероприятий:
- трудности определения реальной массы выноса загрязняющих веществ с диффузным стоком и оценки его воздействия на качество поверхностных вод;
- неправомерность использования традиционных технологий для очистки загрязненного диффузного стока [Михайлов, 2000].
На механизмы переноса и превращения загрязняющих веществ, независимо от источника, оказывают влияние биологические, биохимические и другие факторы, относящиеся к аспектам процессов самоочищения.
Самоочищение осуществляется путем биохимического окисления растворенных и взвешенных в воде веществ. В малых реках, относительно сильно турбулизованных, то есть с высокой концентрацией кислорода, за сутки может окисляться половина и более содержащихся органических веществ. Характеристикой концентрации органического вещества является показатель БПК (биохимическая потребность в кислороде), который определяет, какое количество кислорода потребуется для полного окисления вещества. Теоретическое описание процессов, приводящих к изменению значения БПК, нашло отражение в работах Феэра, Томаса, Родзиллера и др. [Галлахер Л., Хоббс Дж.Л., 1981; Родзиллер, 1984; Готовцев, 2009; и др.]
Определение БПК в поверхностных водах используется в качестве интегрального показателя загрязненности воды, используется при контролировании эффективности очистных сооружений. Основным способом оценки качества воды являются сравнение концентраций 3В (ингредиентов или комплексных групп веществ) с нормированными значениями их предельно допустимых концентраций (ПДК).
Нормативные требования к качеству воды для водопользователей приведены в ГОСТ 2Д.5.689-98, ГН 2.1.5.690-98 «Предельно-допустимые концентрации вредных веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования». Анализ публикаций по рассматриваемой проблеме показал, что исследование распространения загрязняющих веществ в водных объектах является важной задачей. Одним из важнейших факторов, которые необходимо учитывать при прогнозировании переноса ЗВ в водных объектах является способность водоемов к самоочистке, а главной характеристикой процесса самоочищения является коэффициент скорости распада ЗВ.
Во второй главе, исходя из поставленных задач, приведен краткий анализ опыта математического моделирования процессов движения воды и переноса примесей, а также получено аналитическое решение одномерного нестационарного уравнения конвективно-диффузионного переноса (КДП) неконсервативных примесей.
Водность и гидродинамика потока, характер и интенсивность химических реакций и биологических процессов определяют предельно допустимую нагрузку на водный объект и необходимую степень очистки сбросных вод. В связи с этим, при исследовании процессов в движущихся средах в качестве основных выделяют диффузионный перенос той или иной субстанции и перенос, обусловленный движением среды, то есть конвективный перенос. Задача конвективно-диффузионного переноса является типичной для математических моделей механики жидкости и газа, по сути, уравнение можно представить как уравнение баланса масс веществ. Проблемы математического моделирования динамических процессов в атмосфере и гидросфере обобщены в многочисленных монографиях и обзорах. [Ньистадт и др., 1985; Пряжинская и др., 2002; Страшкраба и др., 1989; Шишкин А.И., 1986; Данилов-Данильян и др., 2010]
Характеристики
Тип файла документ
Документы такого типа открываются такими программами, как Microsoft Office Word на компьютерах Windows, Apple Pages на компьютерах Mac, Open Office - бесплатная альтернатива на различных платформах, в том числе Linux. Наиболее простым и современным решением будут Google документы, так как открываются онлайн без скачивания прямо в браузере на любой платформе. Существуют российские качественные аналоги, например от Яндекса.
Будьте внимательны на мобильных устройствах, так как там используются упрощённый функционал даже в официальном приложении от Microsoft, поэтому для просмотра скачивайте PDF-версию. А если нужно редактировать файл, то используйте оригинальный файл.
Файлы такого типа обычно разбиты на страницы, а текст может быть форматированным (жирный, курсив, выбор шрифта, таблицы и т.п.), а также в него можно добавлять изображения. Формат идеально подходит для рефератов, докладов и РПЗ курсовых проектов, которые необходимо распечатать. Кстати перед печатью также сохраняйте файл в PDF, так как принтер может начудить со шрифтами.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
