Информационно-аналитическая среда оценки качества поверхностных вод речного бассейна тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.18, кандидат технических наук Архипова, Ольга Евгеньевна

• Архипова, Ольга Евгеньевна
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Архипова, Ольга Евгеньевна

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1 МОДЕЛИРОВАНИЕ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОД.

1.1 Качество воды в водоемах и водотоках. Основная терминология.

1.2 Обзор основных методов математического моделирования состояния водных объектов.

1.3 Имитационная модель динамики качества поверхностных вод.

1.4 Методы расчета разбавления сточных вод в реках.

1.4.1 Экспресс метод ГГИ.

1.4.2 Метод Таллинского политехнического института (ТПИ).

1.5 Модели формирования стока.

1.5.1 Модель формирования стока равнинных рек (имитационная камерная модель).

1.5.2 Адвективно-диффузионная модель формирования стока.

1.7 Пространственный анализ и геомоделирование в изучении поверхностных вод.

1.7.1 Геоинформационные Системы. Основная терминология.

1.7.2 Использование ГИС в задачах оценки качества водных ресурсов.

1.8 Задачи работы.

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 1.

ГЛАВА 2 ИНТЕГРИРОВАННАЯ СРЕДА «МОДЕЛИ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОД - ГЕОИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА».

2.1 Принципы построения интегрированной среды.

2.2 Основные принципы построения Банка моделей.

2.3 Характеристика предметной области. Физико-географическая характеристика водных объектов бассейна Нижнего Дона.

2.4 Решение стационарной задачи. Модели динамики качества воды для речной системы.

2.4.1 Имитационная модель оценки качества поверхностных вод в речной системе.

2.4.2 Балансовая модель распространения ЗВ.

2.4.3 Модель качества водных ресурсов, основанная на уравнении турбулентной диффузии.

2.5 Решение нестационарной задачи. Моделирование качества речных вод в условиях аварийных сбросов.

2.5.1 Минимально обеспеченный уровень информации об аварийной ситуации.

2.5.2 Достаточно полный уровень информации об аварийном сбросе сточных вод.

2.6 Модель оценки качества поверхностных вод.

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 2.

ГЛАВА 3 ГЕОИНФОРМАЦИОННАЯ СРЕДА ДЛЯ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОД В РЕЧНОЙ СЕТИ БАССЕЙНА НИЖНЕГО ДОНА

3.1 Создание пространственной модели территории.

3.1.1 Задача расстановки точечных источников на электронную карту.

3.1.2 Использование функций гидрологического моделирования для построения границ водоразделов и дренажной сети.

3.3 Пространственный анализ водопользователей.

3.4 Пользовательский интерфейс и взаимодействие основных блоков системы

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 3.

ГЛАВА 4 ИНТЕРНЕТ-ОРИЕНТИРОВАННАЯ ГЕОИНФОРМАЦИОННАЯ СРЕДА «ВОДНЫЕ РЕСУРСЫ НИЖНЕГО ДОНА».

4.1 Геоинформационные технологии в Интернет.

4.2 Интернет- версия системы.

4.2.1 Методы построения Интернет-версии ГИС.

4.2.2 Организация обработки и передачи геопространственных данных.

4.2.3 Серверная часть.

4.2.4 Клиентская часть.

4.2.5 Последовательность сеанса пользователя.

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 4.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Информационно-аналитическая среда оценки качества поверхностных вод речного бассейна»

Актуальность темы. Развитие водопользования со временем приводит к дефициту водных ресурсов, а также к загрязнению рек и водоемов. В этих условиях значительно усложняются задачи связанные с оценкой воздействий хозяйственной деятельности на водные экосистемы.

Системный подход к решению проблем природопользования предполагает комплексное изучение протекающих в ландшафтно-географической среде процессов. Решение данной задачи невозможно без привлечения методов прогнозирования, иными словами, без использования методов математического моделирования - одного из основных инструментов системного анализа.

К подобным исследованиям относится количественная оценка влияния параметров окружающей среды на состояние локальных и региональных водных экосистем и их составляющих, в частности, речных потоков. Реальная жизненная необходимость решения данной проблемы очевидна. Качество воды в реках, из которых происходит водозабор для нужд больших и малых городов, нуждается в постоянном контроле и прогнозировании. К сожалению, многие водоемы и особенно водотоки традиционно используются в качестве удобных и дешевых систем для удаления промышленных и бытовых отходов. По мере увеличения плотности населения и развития промышленности и сельского хозяйства антропогенная нагрузка на водоемы неуклонно растет.

Теоретические обоснование и практические подходы к решению задач управления качеством природных вод достаточно детально описаны в научной литературе. Математические модели позволяют спланировать стратегию управления качеством воды в источнике и оценить последствия ее реализации [94].

В последнее время в теории управления водными ресурсами появилось немало новых идей и результатов. Основные положения моделирования в области водопользования в настоящее время составляют основу принятия решений. Его инструментарий включает в себя развитый математический аппарат и средства вычислительной техники. Отличительной чертой данного инструментария является переход к современным персональным компьютерам, совершенствование программного обеспечения, использование новейших информационных компьютерных технологий, таких как технологии геоинформационных систем (ГИС) и интернет-технологии. Все это позволяет утверждать о создании принципиально нового подхода при компьютерном моделировании в области водных проблем.

ГИС объединяют комплекс аппаратных устройств и программных продуктов, предназначенных для сбора, хранения, преобразования, отображения и распространения пространственно-координированной информации, пространственного моделирования природных и социально-экономических систем, и, наконец, для поддержки принятия решений и управления [21]. ГИС располагает значительным количеством приемов анализа пространственных объектов, с помощью которых исследуют структуру и морфологию явлений с их количественной оценкой, изучают динамику и развитие явлений, выполняют прогнозные исследования. ГИС является мощным инструментальным средством решения задач связанных с пространственной протяженностью природных объектов. Одна из таких мощных возможностей ГИС связана с оценками гидрологических параметров на основе анализа карты рельефа и привязанной к ландшафту разнообразной растровой (карты типов почв, растительности, землепользования, урбанизированных территорий и др.) и векторной информации (дороги, каналы, реки, водохранилища, озера и др.). Другим инструментом ГИС является база геоданных (БГД), которая определяет обобщенную модель данных и привязку к карте информации о пространственно-распределенных элементах из объектно-ориентированных баз данных различного уровня.

Третий используемый инструмент ГИС - визуализация модельных расчетов на основе выбранных сценариев развития для представления материала в виде, удобном для анализа и принятия решений.

Стандартные геоинформационные системы являются, как правило, мгновенными снимками состояния определенной территории и не включают в явном виде параметр времени. Использование математических моделей динамики компонент природной среды открывает возможности преодоления этого недостатка традиционных ГИС. При этом весьма актуальной является проблема количественного оценивания тенденций долговременных изменений агрегированных параметров природно-ресурсного потенциала изучаемой территории и формализация процедур сравнения сценариев альтернативных стратегий природопользования. Модели и методы планирования водохозяйственных систем, ориентированные на распределение объемов потребления воды, а также описание процесса формирования стока и водообмена уже достаточно разработаны. Они включают в себя параметры, характеризующие процессы выноса примесей в водные объекты с поверхностным стоком городов, сельхозугодий и от локальных источников загрязнений из очистных сооружений, а также параметры, характеризующие процессы формирования качества вод - расход воды в водотоке, разбавление, распад и трансформация примесей [78,105].

Механизмы происходящих физико-химических процессов описываются так называемыми непрерывными или гидродинамическими моделями с сосредоточенными или распределенными параметрами. Модели с сосредоточенными параметрами могут быть детерминированными или стохастическими, с их помощью формируются долгосрочные ряды гидрологических и метеорологических условий, которые могут использоваться в качестве входных данных анализа выноса загрязняющих веществ (ЗВ). В моделях с распределенными параметрами водосбор делится на однородные участки с едиными характеристиками переменных состояния.

Именно эти модели больше подходят для ГИС и компьютерно-ориентированного моделирования. Одним из путей решения задач оценки состояния природной среды является выделение последовательных этапов и формирование соответствующих математических моделей [94].

Использование ГИС, как средства решения прикладных задач, основано, прежде всего, на новых возможностях проведения измерений по карте, которые дают ГИС-технологии. Метрологический подход к определению математической основы карт исходит из того, что измерения по карте должны дать информацию для решения тех задач, ради которых и создается тематическая карта. Например, для решения задачи оценки состояния вод нужно иметь разрешающую способность, достаточную не только для отображения всех контрольных створов и тех источников загрязнения, которые объясняют изменения качества воды от створа к створу, но и для определения параметров модели распространения загрязняющих веществ. Эта модель необходима для оценки и прогнозирования изменений качества воды на участке между створами. Возможности ГИС позволяют измерять по карте и вычислять по измерениям параметры, необходимые для расчетов по этой модели.

На основе современных информационных технологий, таких как ГИС и Интернет-технологии, появляется возможность обеспечить единое информационное пространство, введение и хранение цифровых карт местности, баз данных, представление экологической информации для оперативного решения задач управления.

Для того чтобы результаты математического моделирования стали элементом механизмов принятия решений, они должны легко передаваться в ГИС и, наоборот, необходимые данные из ГИС должны распознаваться и импортироваться моделирующей системой для использования в расчетах. Современные развитые средства программирования, основанные на объектно-ориентированном подходе и технологиях баз данных в сочетании с графическими и интерактивными возможностями, позволяют добиться высокой эффективности вычислительного эксперимента. Основная идея представленной работы заключается в синтезе методов математического моделирования экологических систем и современных компьютерных геоинформационных технологий.

В результате соединения технологии моделирования с современными геоинформационными технологиями, цифровыми компьютерными трехмерными моделями местности, базами первичной информации о состоянии окружающей среды, а также с современными средствами доставки информации до ее конечного пользователя - интернет-технологиями, построена Интернет-ориентированная геоинформационная система, позволяющая производить интерактивные вычислительные эксперименты и быть основой для развертывания дистанционных образовательных программ. Результаты этой научной разработки полезны при сравнении сценариев планируемых региональных программ природопользования.

Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является разработка программного комплекса, опирающегося на использование современных информационных и компьютерных технологий для совершенствования инструментария оценки качества водных ресурсов региона (на примере поверхностных вод речного бассейна). Реализация поставленной цели предполагает решение следующих основных задач:

1. Разработать методику комплексного использования моделей различного уровня сложности и детализации для оценки качества водных ресурсов.

2. Определить структуру и критерии модельного наполнения Банка моделей.

3. Реализовать математические модели оценки качества поверхностных вод на основе известных математических моделей (стационарная и нестационарная модель).

4. Разработать компьютерную технологию совместной работы банка математических моделей и базы данных о состоянии водных ресурсов в рамках единой геоинформационной системы.

5. Разработать и реализовать на примере конкретного региона (Бассейна реки Нижнего Дона) локальную геоинформационную среду «Водные ресурсы» с использованием Банка математических моделей.

6. Разработать и реализовать веб-ориентированную версию ГИС «Водные ресурсы» с использованием Банка математических моделей .

Объект исследования - мониторинг качества поверхностных вод бассейна Нижнего Дона, прогнозирование экологической ситуации бассейна реки в случае аварийных выбросов загрязнений.

Предмет исследования - применение методов математического моделирования и геоинформационных технологий для оценки качества поверхностных вод.

Материалы и методы исследования. Исследование основано на • применении аппарата математического моделирования качества поверхностных вод, предусматривающего использование классических подходов (с использованием уравнения турбулентной диффузии, моделирования распространения примесей в потоке, статистических методов обработки информации, техники имитационного моделирования), и современного опыта создания и исследования моделей оценки качества поверхностных вод, а также принципов геомоделирования пространственно распределенных объектов.

В качестве фактического материала были использованы опубликованные данные Госкомстат РФ, Госкомэкологии РФ, Госкомгидромета РФ.

Научная новизна. Разработчики математических моделей зачастую не хотят отходить от традиционных методов математического моделирования пространственных объектов. С другой стороны, специалисты по ГИС 9 технологиям не имеют навыков математического моделирования поведения объектов. В работе осуществлено комплексное научно-обоснованное решение задачи оценки качества водных ресурсов бассейна реки на основе новейших информационных технологий с использованием ГИС, банка математических моделей, путем синтеза методов математического моделирования и дополнительных возможностей ГИС. Разработана интегрированная компьютерная информационно-аналитическая среда для совместной работы геоинформационной системы и банка математических моделей. Создана Интернет-ориентированная версия системы, позволяющая осуществлять оценку состояния ресурсов региона на основе новейших информационных технологий с использованием геоинформационной системы и банка математических моделей.

Практическая значимость. Результаты выполнения проекта в виде математических моделей, вычислительных алгоритмов и компьютерных программ могут быть использованы в Научно-образовательном Эколого-аналитическом центре системных исследований математического моделирования и геоэкологической безопасности Юга России, Департаменте государственного контроля и перспективного развития в сфере природопользования и охраны окружающей среды МПР России по Южному федеральному округу, Главном управлении природных ресурсов и охраны окружающей среды МПР России по Ростовской области (ГУПР по Ростовской области), Донском бассейновом водном управлении, Комитете по охране окружающей среды и природных ресурсов Администрации Ростовской области (Ростоблкомприрода), Южном филиале Института Водных проблем РАН.

Результаты работы имеют непосредственное практическое значение в учебном процессе, в рамках программ дистанционного образования, в практике традиционного учебного процесса. В ходе выполнения работы ее результаты, в доступном для интерактивной работы с базами данных и математическими моделями виде, размещены в Интернет.

Предлагаемая система представляет интерес для пользователей, которым знакома возможность моделирования, но они не могут использовать модели, не имея специальных навыков. Делая модельный эксперимент более дружественным для пользователя через ГИС, тем самым предоставляется доступ к моделям большому кругу специалистов предметной области.

Результаты научных исследований по проекту отражены на Интернет-страницах сайта ГИС Центра РГУ, аккумулирующего научные и учебно-методические материалы в области геомоделирования, математического моделирования и компьютерных технологий, ориентированных на современную экологическую проблематику.

Достоверность научных положений и выводов, полученных в работе, является следствием использования классических математических методов построения моделей, их численного и аналитического анализа; использования реальных данных по динамике внешних факторов; согласования результатов аналитических исследований и численных экспериментов; согласования численных экспериментов с натурными данными и результатами, полученными другими авторами.

Апробация работы. Результаты, полученные в рамках диссертационной работы, докладывались и обсуждались на следующих научных семинарах и конференциях: на ХХУШ-ХХХШ Всероссийских школах-семинарах «Математическое моделирование в проблемах рационального природопользования» (Дюрсо, 2000-2005); на семинарах отдела математических методов в экологии и экономике (Ростов-на-Дону, 2002-2006); на Всероссийской школе по комплексным гидробиологическим базам данных (Ростов-на-Дону,2005); на научно-методической конференции «Современные информационные технологии в образовании: Южный Федеральный округ» (Ростов-на

Дону,2006)

Исследования, проводимые по теме диссертации, легли в основу научно-исследовательской работы, проводимой по гранту С1ШР 20012005г., использованы в научно-исследовательской работе по программе фундаментальных исследований ОНЗ РАН «Развитие технологий мониторинга, экосистемное моделирование и прогнозирование при изучении природных ресурсов в условиях аридного климата».

Ключевые слова и словосочетания: математическое моделирование, компьютерные технологии, геоинформационная система, интернет-технологии.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 19 печатных работ, в том числе 16 в материалах школ и конференций, 2 статьи в центральной печати и одна глава коллективной монографии.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем работы 165 страниц, в том числе 12 таблиц и 33 рисунка, 12 страниц приложения. Список литературы содержит 105 наименований.

Заключение диссертации по теме «Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ», Архипова, Ольга Евгеньевна

Результаты работы имеют непосредственное практическое значение в учебном процессе, в рамках программ дистанционного образования, в практике традиционного учебного процесса.

Результаты научных исследований отражены на Интернет-страницах сайта ГИС Центра РГУ, аккумулирующего научные и учебно-методические материалы в области геомоделирования, математического моделирования и компьютерных технологий, ориентированных на современную экологическую проблематику.

6 ходе проделанной работы автором выносятся на защиту следующие положения:

1. Проведены исследования и разработана методика комплексного использования моделей различного уровня сложности и детализации для оценки качества водных ресурсов.

2. Разработана структура и определен состав Банка моделей на основе известных математических моделей (стационарная и нестационарная задача).

3. Разработана компьютерная технология совместной работы банка математических моделей и базы данных о состоянии водных ресурсов в рамках единой геоинформационной системы.

4. Разработана и реализована на примере конкретного региона - бассейна Нижнего Дона интегрированная среда «Водные ресурсы» с использованием Банка математических моделей и ГИС.

5. Разработана и реализована на примере конкретного региона - бассейна Нижнего Дона \¥еЬ-ориентированная ГИС «Водные ресурсы ».

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенное в работе исследование основано на применении аппарата математического моделирования, который предусматривает использование, как классических подходов, так и современного опыта создания и исследования моделей оценки качества поверхностных вод, а также принципов геомоделирования пространственно распределенных объектов.

На основе новейших информационных технологий с использованием ГИС, банка математических моделей осуществлено комплексное научно-обоснованное решение оценки качества водных ресурсов бассейна реки, путем синтеза методов математического моделирования и дополнительных возможностей ГИС. Разработана интегрированная компьютерная информационно-аналитическая среда для совместной работы геоинформационной системы и банка математических моделей. Создана Интернет-ориентированная версия системы, позволяющая осуществлять оценку состояния ресурсов региона.

Результаты в виде комплекса программных средств, включающих вычислительные алгоритмы, реализующие представленные математические модели; набор пространственных методов ГИС, могут быть использованы в Научно-образовательном Эколого-аналитическом центре системных исследований математического моделирования и геоэкологической безопасности Юга России, Департаменте государственного контроля и перспективного развития в сфере природопользования и охраны окружающей среды МПР России по Южному федеральному округу, Главном управлении природных ресурсов и охраны окружающей среды МПР России по Ростовской области (ГУПР по Ростовской области), Донском бассейновом водном управлении, Комитете по охране окружающей среды и природных ресурсов Администрации Ростовской области (Ростоблкомприрода).

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Архипова, Ольга Евгеньевна, 2006 год

1. Autodesk Mapguide для разработки Web приложений http://www.mapguide.com

2. Bottcher А.В., Hiscock J., Pickering N.B., and Hilburn. R.T. WAM-Watershed Assessment Model. Proceedings of Watershed Management: Moving from^ Theory to Implementation. Water Environment Federation, Alexandria, VA. -1998.

3. Brodeur Y., et al. Modelling Geospatial Application Database using the UML-based repositories aligned with international standards in Geomatics // Proceedings of the EigthACM Symposium on Advances in Geographic Information Systems, 2000. P. 39-46.

4. Brown L.C. and Barnwell Т.О. The enhanced stream water quality models QUAL2E and QUAL2E-UNCAS: Documentation and user manual., US-EPA Environmental Research Laboratory, EPA/600/3 87/007, Athens, GA, 1987.

5. Chapra S.C. Surface Water Quality Modelling. McGraw-Hill, New York, NY, 1997.

6. Chapra S.C. and Pelletier, G.J. QUAL2K: A Modeling Framework for Simulating River and Stream Water Quality: Documentation and Users Manual, 2000.

7. Gao X., Soroosman S., Goodrich D.C. Linkage of GIS to a Distributed RainfallRunoff model// Environmental Modeling with GIS. NY: -Oxford University Press, 1993. P. 182-187. ^

8. Esri(Arc/Info).http://www.esri.com/base/products/internetmaps/internetmaps.html

9. Fedra K. and Feoli E. GIS Technology and Spatial Analysis in Coastal Zone Management. EEZ Technology, Ed. 3, 1998. P.171-179.

10. Fedra K. Embedded GIS in environmental management., GIS Development, Vol. 10/2,2006. P.222-316.

11. Fedra K. Water Resources Simulation and Optimization: a web based approach. IASTED/SMO 2005, Oranjestad, Aruba, August 2005.

12. Fedra K. and Jamieson D.G. An object-oriented approach to model integration: a river basin information system example. In: Kovar, K. and Nachtnebel, HP. eds.: IAHS Publ. no 235,1996. P. 669-676.

13. Fedra K. Environmental Information and Decision Support Systems // Informatik/Informatique 4/2000, 2005, P. 14-20. |

14. Fedra K. GIS and simulation models for Water Resources Management: A case study of the Kelantan River, Malaysia. GIS Development, 6/8,2002, P. 39-43.

15. Fedra K. Water Resources Modelling at the River Basin Scale (tutorial presentation) IASTED/SMO 2005, Oranjestad, Aruba, August 2005.

16. Fedra. K. Multi-Media Environmental Information Systems: Wide-Area$