авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 |   ...   | 3 | 4 ||

ИНФОРМАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ В ГИДРОЛОГИИ (на примере разработки моделей формирования и рационального использования водных ресурсов Ангаро-Байкальского

-- [ Страница 5 ] --

Необходимость получения большого объема прогнозной информации о последствиях воздействия, характеризующегося многокомпонентностью загрязнения, сложной пространственной структурой и временной динамикой его источника, требует построения достаточно громоздкой модели, имитирующей перенос примеси в генетически различных гидрологических условиях. Для этого нужно объединить в ее рамках значительное количество теоретических, эмпирических и гипотетических данных о рассматриваемых процессах. Использование методических приемов, вытекающих из положений информационного подхода, позволяет уменьшить трудоемкость этой операции.

При разработке обсуждаемой модели область акватории р.Ангары, для которой производилась оценка воздействия золоотвала, была разбита на два участка. Первый участок имеет протяженность вдоль реки около 7 км, начинается от створов, расположенных несколько выше золоотвала, и тянется до створа, пересекающего основное русло ниже впадения левой протоки Китоя. Второй участок расположен ниже по течению Ангары. Его верхний створ является нижним створом участка №1. Расчеты динамики распространения примесей для этих участков производятся по разным моделям. Для второго участка используется модель, которая здесь не обсуждается. Для первого участка разработана трехмерная нестационарная модель распространения примеси в области произвольной конфигурации с полуэмпирическим заданием гидрологического режима реки. Модель разработана в стандарте приложения Windows. При выводе результатов расчетов в модели используются элементы ГИС-технологий, в рамках которых связываются картографические и табличные координатно-привязанные данные. Эта разработка является естественным развитием подхода, описанного в двух предыдущих примерах. Дальше речь пойдет именно об этой модели. Для ее построения были использованы следующие информационные материалы:

  • законы сохранения и переноса вещества,
  • условие неразрывности потоков,
  • закономерности оседания частиц взвеси в воде,
  • оценка распределения скорости течения по вертикали,
  • типичная для рассматриваемого участка акватории взаимосвязь между расходом и уровнем,
  • оценка распределения глубины в условиях летней межени,
  • данные измерения средних и пульсационных скоростей течений и расходов в отдельных створах и точках,
  • допущение независимости (в рамках одного типа гидрологического режима) распределения потоков по рукавам от общего расхода,
  • данные о значениях ПДК загрязняющих ингредиентов,
  • данные о размерной структуре золошлаковой взвеси,
  • утверждение о консервативности всех примесей на рассматриваемых пространственно-временных масштабах.

При расчетах по модели имитируемые ситуации задаются значениями потоков воды и концентраций загрязняющих ее ингредиентов во всех входных створах (основное русло Ангары, протока Голуторовская, Китой, створы сброса в реку фильтрационных и аварийных стоков с золоотвала), а также величиной поднятия уровня при выборе зажорного режима стока. В качестве выходных переменных в модели выступают: глубина места, компоненты векторов средней скорости переноса воды и примесей, компоненты характерной величины пульсационной скорости, а также концентрации контролируемых ингредиентов (примесей) в воде и толщина слоя донных отложений, образующегося в результате аварийного сброса.

Модель реализована в виде четырех модулей. Окно главного модуля программы показано на рис.21. Он реализует функции: выбора имитационного эксперимента, расчета выходных характеристик модели, управления процессом имитации поступления стоков с золоотвала в реку Ангару и их распространения в водной среде, индикации результатов расчетов, доступа к другим окнам программы. Модуль просмотра и редакции входных данных дает возможность пользователю задать требуемые значения высвечиваемых значений параметров. Модуль индикации табличной информации (рис.22) предназначен для выдачи числовых количественных данных о результатах расчета выходных переменных на произвольной вертикали. Еще один модуль обеспечивает настройку цветовой палитры модели.

 Главное окно имитационной модели. Окно модуля выдачи табличной-22

Рис.21. Главное окно имитационной модели.

 Окно модуля выдачи табличной информации о средней концентрации загрязняющих-23 Рис.22. Окно модуля выдачи табличной информации о средней концентрации загрязняющих ингредиентов на произвольной вертикали.

Обязательным предварительным этапом оценки воздействия золоотвала на выбранный участок реки является расчет распределений глубины и средней скорости течения, соответствующих выбранному типу гидрологического режима и заданным расходам. Для решения этой задачи акватория участка №1 рассекается 46 створами. Затем по расходам во входных створах вычисляется распределение глубин и средних по вертикали скоростей течения реки во всех створах. Далее, оценки глубин и скоростей в отдельных точках створов интерполируются на всю область расчетов с шагом, соответствующим принятому шагу сеточной области. При интерполяции также используются данные измерений глубины и скорости в отдельных специально выбранных точках. Графическая иллюстрация результатов одного из таких расчетов показана на рис. 21.

Наиболее опасное воздействие золоотвала ТЭЦ-1 на реку Ангару возникает при аварийном разрушении его дамбы. В этом случае, помимо растворенных в воде прудка загрязняющих ингредиентов, в реку попадает большое количество взвешенных веществ. Имитация этих процессов на модели позволяет оценить интенсивность, динамику и структуру загрязнения реки в разных гидрологических ситуациях и при различных сценариях развития аварии. На рис. 23 приведены примеры таких модельных оценок.

 Примеры оценки распределения концентрации взвешенных веществ по акватории-24

Рис. 23. Примеры оценки распределения концентрации взвешенных веществ по акватории реки Ангары, формирующегося при разрушении дамбы золоотвала ТЭЦ-1.

а - размыв в верхней по течению реки части дамбы, б – размыв в нижней части.

Выводы

1. Разработка моделей, предназначенных для приближенной оценки динамики вероятностного распределения в пространстве загрязняющих воду ингредиентов, является полезным и конструктивным элементом успешного решения нестандартных задач, связанных с прогнозом последствий антропогенного воздействия на окружающую среду.

2. Применение методов информационного моделирования, оперирующих в рамках одной задачи сведениями различного типа, точности и достоверности, обеспечивает возможность сбалансированно использовать разнообразные данные, которые удается собрать для построения каждой из моделей, преодолеть информационные дефициты и получить достаточно детальные, приемлемо точные и практически значимые результаты моделирования.

3. Прогнозные оценки предполагаемых последствий антропогенного воздействия на водные объекты, получаемые в результате имитационного моделирования, позволяют более полно оценить ожидаемые ущербы и сформулировать рекомендации по их минимизации.

4. Технические возможности современных персональных компьютеров позволяют предельно облегчить использование разрабатываемых моделей всеми заинтересованными лицами и представить результаты их исследования в наглядной форме.

5. Имитационное моделирование является существенным методическим дополнением (к натурным изысканиям) для получения информации о динамике распределенных параметров водных объектов. Хотя расчетные оценки по достоверности обычно уступают измеренным, они значительно более дешевы и информативны.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе предложен и на ряде примеров решения различных гидрологических задач продемонстрирован информационный подход к разработке моделей. Их построение в рамках данного подхода рассматривается как двойственный процесс. Одна сторона этого процесса состоит в увеличении информационной емкости (или сложности) модели, которая наращивается за счет привлечения все большего числа используемых для описания объекта переменных и повышения точности их контроля. Вторая - представляет собой последовательное введение ограничений на возможные значения этих переменных, логически вытекающих из различного рода сведений о моделируемом объекте. Важнейшей чертой информационного подхода является поддержание такого баланса между обеими названными сторонами, при котором обеспечивается наибольшая эффективность использования исходных данных для достижения поставленных целей. Для подбора подходящей сложности модели могут использоваться различные процедуры ее оптимизации.

Исследование возможностей более полного использования информации, содержащейся в материалах наблюдений за природными объектами, показало, что учет в явном виде их точности и достоверности создает новые возможности для разработки математических методов и основанных на них алгоритмов для статистической обработки эмпирических данных. В диссертации была рассмотрена задача поиска и оценки многофакторных взаимосвязей между переменными по выборочным данным измерений их совместных значений. При ее решении в качестве базового математического аппарата описания взаимосвязей между исследуемыми характеристиками была использована ядерная оценка совместного распределения вероятностей. Этот подход позволяет не терять и адекватно отображать информацию, содержащуюся в исходных данных, и равноценно работать как с количественными, так и с качественными переменными. Разработанные алгоритмы реализованы в виде программных средств, применимых к выборкам, содержащим неоднородные по точности и достоверности материалы и значительное число пробелов. Показано, что такие приемы успешно работают в задачах изучения географических особенностей формирования стока и построения стохастических моделей для прогнозирования его межгодовой изменчивости.

Опыт проведенных исследований дает возможность говорить о том, что информации, содержащейся только в данных наблюдений, как правило, оказывается недостаточно для приемлемого решения задач прогностического или управленческого характера, с которыми приходится сталкиваться на практике. Улучшение их результатов достигается путем дополнительного насыщения моделей сведениями теоретического и гипотетического характера. Применение идеологии информационного моделирования позволяет более свободно оперировать материалами различного типа и качества и, вследствие этого, более полно использовать все доступные данные. Эффективность этого подхода продемонстрирована на примере разработки моделей, предназначенных для решения проблем оптимизации управления расходом реки Ангары и прогнозирования динамики распространения загрязняющих веществ в водных объектах.

Рациональное использование водных ресурсов Байкальского региона является необходимой составной частью обеспечения его устойчивого развития. Оно требует накопления и использования обширных и разнообразных информационных материалов о состоянии ресурсов и о процессах их формирования и эксплуатации. Необходимым элементом системы экологически ориентированного и экономически обоснованного управления отдельными природными объектами и целыми территориями является возможность контроля и прогнозирования динамики их состояния при различных антропогенных воздействиях. Удобным инструментом, дающим возможность успешно продвигаться вперед в решении таких задач, в настоящее время могут и должны стать имитационные модели и системы. Автор надеется, что предложенные в рамках данной работы принципы и методические приемы будут полезны для их разработки. Хочется верить, что приведенные примеры построения различных моделей для решения ряда водно-ресурсных проблем Ангаро-Байкальского бассейна наглядно показали конструктивность их применения в гидрологии.

В приложении к анализу эмпирических данных дальнейшее развитие разработанных методов требует уточнения и комплексирования критериев оптимальности моделей. Эта потребность обусловлена тем, что, в условиях возможности автоматизации процесса генерации и проверки с помощью компьютерных технологий большого количества гипотез, традиционных статистических критериев оценки их правдоподобности оказывается недостаточно. Заслуживают первоочередного внимания также вопросы количественной оценки достоверности прогностических оценок. Одним из перспективных направлений использования разрабатываемых моделей является их включение в состав различных ГИС, что позволит в значительной степени детализировать и актуализировать накапливаемую в них географическую информацию, а также повысить эффективность ее использования.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Монографии

  1. Агеенко Е.Н., Волкова В.Г., Игнатов А.В. Исследование и моделирование закономерностей состояния лесных экосистем в бассейне озера Байкал. - Иркутск,1995. - 89 с.
  2. Игнатов А.В., Федоров В.Н., Захаров В.В. Динамика составляющих водного баланса речных бассейнов. – Иркутск: Изд-во СО РАН, 1998. – 186 с.
  3. Игнатов А.В. Модели и оптимизационные задачи в проблемах природопользования в Байкальском регионе. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2000. – 207 с.
  4. Игнатов А.В., Кравченко В.В. Эколого-экономические аспекты управления водопользованием. – Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2002. – 171 с.

Статьи в журналах и сборниках

  1. Игнатов А.В. Применение моделей авторегрессии - проинтегрированного скользящего среднего для прогнозирования природных процессов по рядам их наблюдений / Изменчивость природных явлений во времени. – Новосибирск: Наука, 1982. – С.60-66.
  2. Игнатов А.В. Оценка полной экспериментальной информации о связи показателей состояния природных объектов / Модели и методы оценки антропогенных изменений геосистем. - Новосибирск: Наука, 1986. С. 55-60.
  3. Игнатов А.В. Использование приближенного задания переменных в задачах интерполяции и экстраполяции данных / Математическое моделирование в проблемах рационального природопользования. – Ростов-на-Дону, 1988. – С.98-100.
  4. Игнатов А.В., Старыгин А.П. Применение метода непрерывного восполнения функции многих переменных, заданной на конечном множестве произвольно расположенных точек, для восстановления полей распределенных параметров оз.Байкал / Мониторинг и оценка состояния Байкала и Прибайкалья.- Ленинград: Гидрометеоиздат, 1991.- С. 40-42.
  5. Афанасьева Э.Л., Игнатов А.В. Об изменении биомассы зоопланктона в озере Байкал // ДАН, 1992. – Т.324, №1. – С.233-236.
  6. Воробьев В.В., Васильев С.Н., Антипов А.Н., …, Игнатов А.В. и др. Интеллектное информационно-картографическое обеспечение устойчивого развития Байкальского региона // География и природные ресурсы. – 1995.-№1.- С. 5-15
  7. Игнатов А.В. Опыт вероятностного моделирования и анализа взаимозависимости многомерных географических данных // География и природные ресурсы. – 1996, - №4. – С.149-158.
  8. Игнатов А.В., Федоров В.Н., Фролов С.В., Корнейчук А.И. Моделирование сезонной динамики стока рек горного обрамления озера Байкал // География и природные ресурсы. – 1998. - №1. – С.127-131.
  9. Игнатов А.В., Кравченко В.В., Федоров В.Н. Индексы и классификация качества воды при определении дифференцированной платы за водопользование // География и природные ресурсы. – 2002, - №2. – С.127-132.
  10. Игнатов А.В. Модели как информационные отображения объектов моделирования / Моделирование географических систем. – Иркутск: Из-во ИГ СО РАН, 2004. – С. 10-13.
  11. Игнатов А.В. Методы и программные средства поиска и оценки многофакторных взаимосвязей между географическими переменными / Моделирование географических систем. – Иркутск: Из-во ИГ СО РАН, 2004. – С. 118-122.

Программные средства

  1. Игнатов А.В. Пакет программ для поиска и анализа взаимосвязей между значениями переменных, заданных таблицей совместных реализаций (на дискете). – Иркутск: Ин-т географии, 1995. – 1 Мб.
  2. Игнатов А.В., Кравченко В.В. Система территориального мониторинга. Программно-информационный комплекс. Версия 1.0 (на лазерном диске).– Иркутск: Ин-т географии СО РАН, 2002. – 69 Мб.
  3. Кравченко В.В., Игнатов А.В. Оценка воздействия на поверхностные воды. Мультимедийное приложение к отчету по проекту расширения существующего золоотвала ТЭЦ-1. (на лазерном диске) – Иркутск: Ин-т географии СО РАН, 2003. – 152 Мб.

Страницы в Интернет

  1. Игнатов А.В., Кравченко В.В., Макаров А.А. Система территориального мониторинга / Страница в Интернет www.geogr.isu.ru/ig. - 2002.
  2. Игнатов А.В. Информационное моделирование в гидрологии (на примере разработки моделей формирования и рационального использования водных ресурсов Ангаро-Байкальского бассейна). Диссертация и автореферат / Страница в Интернет http://irigs.irk.ru/docs/adiss/Ignatov.doc . - 2005.


Pages:     | 1 |   ...   | 3 | 4 ||
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.