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 |   ...   | 5 |

Теория и методы управления качеством гидросферы территориально-производственных комплексов

-- [ Страница 2 ] --

Во введении к диссертации обоснована актуальность темы диссертационной работы, формулируются цель, научная новизна, практическая значимость полученных результатов.

В первой части диссертационной работы рассмотрена методология исследования геэкологических систем.

Геоэкология - междисциплинарное научное направление, которое требует системного изучения геосфер Земли. В то же время сами геосферы Земли (атмосфера, гидросфера и литосфера) являются сложными динамическими системами, включающими не менее сложные подсистемы, например, в составе гидросферы можно выделить подсистемы поверхностных и подземных вод и т.д. Определяя системный подход как методологию исследования объекта и построения его математической модели, когда объект рассматривается как целостный комплекс взаимосвязанных компонентов, имеющий особое единство с внешней средой и представляющий собой подсистему системы более высокого порядка, мы тем самым обуславливаем необходимость использования современных информационных технологий при изучении геосфер Земли. С этих позиций процесс квантификации природных систем является в высшей степени субъективным процессом, т.к. может различаться пространственно-временными границами, учетом внешних и внутренних факторов развития системы, а также объемами и видами техногенного воздействия.

Дальнейшее изучение выделенных систем подразумевает их дискретизацию, что, в свою очередь, также накладывает отпечаток на интерпретацию полученных результатов. Процесс дискретизации систем должен исходить из двух фундаментальных положений.

  • Изменение шага дискретизации системы должно повышать и улучшать наши знания о природном континууме.
  • Иерархические уровни системы должны относиться к тому же классу эквивалентности, что и сама система.

Для устранения многозначности результатов исследований предлагается в качестве критерия значимости результатов (КЗР) рассматривать погрешность прогноза (ПП) развития природно-техногенных процессов.

КЗР = 100% - 2·ПП%. (1)

Так как управление ПТС, как, впрочем, и всеми другими сложными системами, базируется на прогнозировании и планировании процессов в изучаемых системах, то такой выбор КЗР очевиден. Если полученные результаты на 5, 10 и более процентов повышают точность прогноза, по сравнению с предыдущими исследованиями (), то тем самым можно утверждать, что мы расширили свои знания об изучаемой ПТС.

Анализ стадий квантификации природного континуума, дискретизации выбранной ПТС, подготовки, проведения и обработки результатов эксперимента позволяет выделить своеобразный граф ПТС дискретную сетевую структуру, описывающую некоторый нарушенный процесс.

Процесс круговорота воды в природе требует рассматривать в геоэкологическом плане такие составляющие подземных вод, как атмосферный массоперенос загрязняющих компонентов и поверхностный сток. Каждый из этих трех процессов представлен своим пространством и развитием, что предполагает изменения, как в пространстве, так и во времени. Поэтому очевидно, что каждый процесс должен быть описан оригинальной моделью, учитывающей не только особенности самого процесса, но и взаимодействия с другими процессами триады. Интегрируя озвученные постулаты, определения и утверждения можно представить граф ПТС как неразрывное динамическое единство модели, плана и прогноза (рис.1).

Реализуя методологию динамического единства составляющих графа ПТС, граф гидросферы крупного промышленного центра описывается для случая инфильтрационных водозаборов подземных вод следующей системой уравнений (2). Эта система уравнений решает плановую задачу геофильтрации и включает уравнение атмосферной турбулентной диффузии для осредненных значений скоростей и концентрации (1), уравнение массопереноса загрязняющих компонентов в донных отложениях (2) и уравнения плановой геофильтрации (3) и геомиграции (4) [1-5].

Процессы в нарушенных природных системах характеризуются динамичностью. Это вызывает необходимость использования информации, получаемой в результате мониторинга за геоэкологическими процессами. Мониторинг геоэкологических систем можно трактовать как комплекс выполняемых по научно обоснованным программам наблюдений, оценок, прогнозов и разрабатываемых на их основе рекомендаций и вариантов управленческих решений, необходимых и достаточных для обеспечения управления состоянием ПТС с целью их устойчивого использования. В целом, информационную систему геоэкологического мониторинга можно представить в виде рис.2.

Вторая часть посвящена исследованию метеорологических параметров над акваторией внутригородского водохранилища и их влияния на загрязнение воды промышленными и автотранспортными выбросами. Расположение водоемов в черте городской застройки означает формирование определенного микроклимата над акваторией водоема, отличного от метеорологических условий непосредственно в городской черте, со своим распределением температуры, влажности, скорости ветра и т.п. над водной поверхностью.

Другими словами, микроклимат в акватории водохранилища формирует объективные условия, изучение которых позволит установить причинно-следственные связи, приведшие к образованию сегодняшнего температурно-влажностного режима в акватории водохранилища.

Представлены результаты натурных наблюдений за метеорологическими параметрами (на примере Воронежского водохранилища), предложена методика обработки результатов имеющихся наблюдений.

Приводятся статистические модели: распределения температур поверхностного слоя воды и окружающего воздуха, абсолютной и относительной влажности, дефицита влажности, испарения влаги с поверхности водохранилища, скорости ветра над акваторией водохранилища и непосредственно над водной поверхностью.

Проведен анализ статистических моделей распределения метеорологических параметров, который показал, что с апреля по октябрь температура поверхностного слоя водохранилища превышает температуру окружающего воздуха акватории. Следовательно, с вероятностью более 70% можно сказать, что над поверхностью водохранилища наблюдаются туманы испарения. Образование туманов испарения и туманов конденсации подтверждено совместным анализом распределения температур и относительной влажности.

Использованные в работе экспериментально-статистические методы анализа и обработки наблюдений метеорологических параметров позволили обосновать граничные условия образования тумана при турбулентном смешении газов. Взаимодействие влажного воздуха со свободной водной поверхностью иллюстрируется фрагментарной схемой, из которой следует, что при относительной влажности 0,9 в воздухе больших городов появляются туманы конденсации. Центром конденсации в этом случае являются выделяющиеся продукты горения и выбросы производственного.

Анализ результатов экспериментальных исследований конвективных потоков в атмосфере Института прикладной геофизики АН РФ и результатов наших натурных наблюдений метеорологических параметров позволил оценить высоту границы тумана от уровня водной поверхности. Граница тумана для Воронежского водохранилища может быть оценена высотой 15 м.

Следуя А.Г.Амелину, рассматривался монодисперсный туман конденсации с концентрацией капель N в момент времени t и монодисперсная аэрозоль, которая падает со скоростью Wr в слой тумана: при этом аэрозольные частицы определены медианным диаметром d50, а концентрация этих частиц – n. Поскольку, для первого приближения, мы ограничиваемся рассмотрением монодисперсной системы, то доля аэрозольных частиц, захваченных за 1 с, равна

(3)

где К – коэффициент захвата. Оценку явления производим для одного значения коэффициента захвата, оставляя в стороне зависимость К от диаметра и скорости капель в полидисперсном тумане, а также от диаметра частиц примеси и скорости их уноса в полидисперсном аэрозольном облаке.

Рисунок 1 - Схематизация гидросферы ПТС на основе дискретной сетевой структуры нарушенных процессов

Однако, в любом случае, отношение концентрации аэрозольных частиц в аэрозольном облаке (примеси) в момент времени t к начальной концентрации n0 выразится равенством

(4)

Численное значение коэффициента захвата K было рассчитано в связи с увеличением роста капель путем слияния их с более мелкими. Все значения К, естественно, соответствуют диаметру частиц с плотностью =1. Исследования показали, что для медианного диаметра аэрозольных частиц d=20*10-6 м скорость уноса частицы Wr=0,12W, где W - средняя скорость ветра на уровне флюгера по многолетним наблюдениям. В условиях Воронежского водохранилища скорость ветра над водной поверхностью значительно отличается от скорости на уровне флюгера и в период 2001, 2002 и 2003 годов не превосходила значение 1,4 мс-1. Поскольку рассматривается туман конденсации, то, вероятно, корректно отношение Wr/ W=0,12 заменить отношением Wr/ Wвод.пов.=0,12 и получить решение уравнения (3) в виде p=1,4210-4, с-1. Но, в таком случае, ещё более интересный результат может быть получен из уравнения (4), положив t=3600 c, имеем n/n0 = 0,6.

 Информационная система геоэкологического мониторинга Тогда можно-6

Рисунок 2 - Информационная система геоэкологического мониторинга

Тогда можно утверждать, что наличие тумана над акваторией водохранилища способствует очищению атмосферного воздуха от аэрозолей (с медианным диаметром) на 23% с одновременным (дополнительным, т.к. речь идет о выпадении аэрозолей) загрязнением территории на это же значение.

В третьей части рассматриваются особенности функционирования ПТС Воронежского водохранилища под воздействием природных и техногенных факторов с целью оптимизации антропогенного влияния на ПТС Воронежского водохранилища. С этой целью детализируются процессы седиментагенеза.

Мелководность Воронежского водохранилища способствует его заилению. Интенсивность заиления чаши может быть оценена на основе седиментационного баланса, который в ПТС Воронежского водохранилища в упрощенном виде может быть записан в следующей форме:

По + Пб + Пп - Рс - Рз = А (5)

где: По - приток взешенных и влекомых наносов по реке Воронеж; Пб -наносы, поступающие с водосборной площади, непосредственно примыкающей к периметру водохранилища; Пп - приход вещества в результате обрущения берегов; Рс - сток частиц через сооружения гидроузла; Рз - забор взвесей с водой водохранилища на хозяйственные нужды; А - отложение (аккумуляция) наносов в чаше водоема. Расчет составляющих седиментационного баланса Воронежского водохранилища в среднем за время существования дал следующее значение аккумуляции за год минеральных частиц 201м3, т.е. в водоеме ежегодно накапливается 293т наносов. Заиление чаши в действительности несколько выше, что связано в первую очередь с отложениями органических наносов, образующихся при развитии фито- и зоопланктона, а также отмирания высшей водной растительности, гидрохимических процессов и эолового переноса. Развитие процессов заиления и формирования донных отложений в водохранилище определяется рядом гидрологических, геоморфологических, геологических и эксплуатационных факторов, составляющих сложную динамическую систему, охватывающую собой звенья: поверхность водосбора русловая сеть водоем. Так, район выклинивания подпора, а во многом и верхний район, представляют собой зону преимущественной транспортировки аллохтонных взвесей, в то время как остальная часть акватории является основным районом формирования автохтонного взвешенного вещества и его аккумуляции. В настоящее время, обобщая информацию о процессах осадконакопления и седиментагенезе донных отложений Воронежского водохранилища, можно представить литологический состав донных отложений согласно рис.4.

Экогидрохимические условия ПТС Воронежского водохранилища формируются рядом природных и техногенных факторов. Среди природных факторов выделяют мелководность, малую скорость течения и сезонную обновляемость воды в водохранилище. К техногенным факторам можно отнести сброс промышленных и хозяйственно-бытовых отходов, включая ливневые коллекторы, загрязненные атмосферные осадки, массоперенос загрязненных компонентов поверхностными и подземными водами, инженерную деятельность человека. Обобщая и анализируя данные мониторинга подсистемы Воронежского водохранилища системы гидросферы ТПК г.Воронежа, можно схематизировать гидрохимический состав поверхностных вод водохранилища посредством рис. 5.

Рисунок 4 - Обобщенная литологическая схема донных отложений Воронежского водохранилища

Реализуя методологию динамического единства составляющих графа гидросферы ПТС ТПК г.Воронежа для оценки влияния качественного состава инфильтрационных вод Воронежского водохранилища на формирование химического состава, используем выражение (2) системы уравнений (2)

. (6)

Анализ выражения (6) показывает, что Dp - коэффициент дисперсии и J – показатель приращения или потери вещества в процессе физико-химического взаимодействия в системе вода – порода практически невозможно определить с достаточным приближением к естественным условиям на границах трех подсистем: поверхностных вод; донных отложений и подземных вод.

 Гидрогеохимическая схема Воронежского водохранилища и подземных вод-11

Рисунок 5 - Гидрогеохимическая схема Воронежского водохранилища и подземных вод водозаборов г.Воронежа

В качестве замены предлагаются параметры, влияющие на протекание процессов физико-химического взаимодействия на границах подсистем гидросферы ТПК г.Воронежа. Такими параметрами может быть значение растворённого кислорода (O2), значение окислительно-восстановительного потенциала (Еh) и водородный показатель (pH). Взаимосвязанность содержания O2, Еh и рН дает исследователям возможность использовать любой из них для изучения процессов миграции загрязняющих компонентов воды.

С учетом вышесказанного, предлагается учитывать обобщенный параметр окислительно-восстановительной обстановки процесса массопереноса загрязняющих компонентов в подсистемах поверхностных вод, донных отложений и подземных вод системы гидросферы ТПК г.Воронежа (O) в выражении плановой геомиграции

, (7)

решать которое предлагается методами структурной идентификации.

Четвертая часть посвящена изучению геоэкологических особенностей неотъемлемой части гидросферы ПТС ТПК г. Воронежа подземных вод. Подземные воды в системе ТПК г. Воронежа образуют два гидрогеологических этажа и приурочены к четвертичным, неогеновым, девонским отложениям верхний этаж и докембрийским отложениям. Особенностью рассмотрения подсистемы подземных вод является использование неоген-четвертичного водоносного комплекса для централизованного водоснабжения г.Воронежа девятью (№№ 3, 4, 6, 8, 11, "Южно-Чертовицкий", 12, "Тенистый") водозаборами, общий водоотбор которых составляет 500 тыс.м3/сут при потребности города в 620 тыс.м3/сут.

Техногенное воздействие на природную систему подземных вод привело к формированию значительных по протяженности (более 4 км) и по понижению (более 10 м) депрессионных воронок, что, в свою очередь, сказалось на изменении геоэкологической обстановки и, в частности, изменении гидрогеохимического состава подземных вод. Геоэкологическая обстановка в системах ВПВ характеризуется концентрациями близких к ПДК соединений азота, сульфатами, хлоридами, различными тяжелыми металлами. Особенно остро стоит вопрос о повышенном содержание ионов железа и марганца, которое превышает ПДК в десятки раз.

Рассмотрим особенности расположения, гидрогеологических, гидрохимических и гидродинамических условий, техногенной нагрузки ПТС отдельных ВПВ г.Воронежа на примере ВПВ №11.

ВПВ № 11 находится в 16 км севернее промышленного центра на правобережной пойменной террасе. Водозабор состоит из 48 эксплуатационных скважин, расположенных вдоль берега водохранилища (рис.6).

Эксплуатационные скважины расположены в 2-х линейных рядах. Расстояния между скважинами - 100 м, в северной части ряда у реки - 50 м. Эксплуатируемый неоген-четвертичный водоносный комплекс представлен мелкозернистыми песками, переходящими в основании в крупнозернистые и гравелистые разности с галькой. Южно-Чертовицкий водозабор является продолжением ВПВ №11 в южном направлении и начинается в 75-50 м от второго подъема ВПВ №11. Эксплуатационные скважины глубиной 38.5-44 м, 28" - 12 м, 24" - 24 м, фильтровая колонна 16", рабочая часть - 12 м, фильтр - проволочный с гравийной обсыпкой (рис.7). Утвержденные эксплуатационные запасы составляют по категориям А + В 154.5 тыс.м3/сут. По химическому составу воды ВПВ №11 пресные с минерализацией 0,25-0,4 г/л, гидрокарбонатного кальциево-магниевого или гидрокарбонатно-сульфатного кальциево-магниевого типов (рис.5).

Вода соответствует СанПиН 2.1.4.559-96 "Питьевая вода" по всем позициям, за исключением ионов железа (макс – 9,7 мг/л, скв.1, при ПДК 0,3 мг/л) и ионов марганца (макс – 1,58 мг/л, скв. 7, при ПДК 0,1 мг/л).

 Схема расположения ЭС и НС ВПВ №11 Гидрогеологический разрез-13

Рисунок 6 - Схема расположения ЭС и НС ВПВ №11

Рисунок 7 - Гидрогеологический разрез ВПВ №11

Такая ситуации вызвала необходимость детального изучения процессов массопереноса железа и марганца в системах водозаборов средствами математического моделирования процессов массопереноса загрязняющих компонентов подземных вод. Для этого были разработаны методика и алгоритм структурной идентификации процесса массопереноса загрязняющих компонентов подземных вод на базе теории самоорганизации и ее метода – "Метод группового учета аргументов" (МГУА), на основе которого создано программное обеспечение комплекс программ MASPERENOS.

Сформулируем задачу структурной идентификации с позиций МГУА. Пусть выполнены следующие предположения:



Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 5 |
 





 
© 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.