Математические модели массопереноса для управления концентрациями неконсервативных примесей в водных экосистемах на основе решения обратных задач тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.18, кандидат наук Жменя, Евгения Сергеевна

• Жменя, Евгения Сергеевна
• кандидат наук
• 2016

Оглавление диссертации кандидат наук Жменя, Евгения Сергеевна

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ОПТИМАЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИЯМИ НЕКОНСЕРВАТИВНЫХ ПРИМЕСЕЙ В ВОДНЫХ ЭКОСИСТЕМАХ

1.1 Мировая проблема защиты водных ресурсов

1.1.1 Подход к регулированию водных ресурсов в странах ЕС, США и Канады

1.1.2 Водная политика Российской Федерации

1.1.3 Задачи управления водными ресурсами

1.2 Проблема эвтрофикации водного объекта

1.2.1 Биофизическая динамика продукционных процессов в водной среде

1.2.2 Математические модели распространения примесей в водной экосистеме

1.3 Задачи математического моделирования изменения концентрации неконсервативных примесей в водных экосистемах

1.3.1 Математическая модель экосистемы мелководного пресного водоёма

1.3.2 Математическая модель аэротенка-вытеснителя

1.4 Постановки задач оптимизации для систем уравнений реакции конвекции-диффузии, описывающие состояние водной экосистемы

1.4.1 Задачи управления для мелководного пресного водоёма

1.4.2 Управление биологической очисткой сточных вод в аэротенке-вытеснителе

1.5 Возможные подходы к численному решению задач управления

1.6 Выводы к главе 1

ГЛАВА 2. РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ УПРАВЛЕНИЯ ВОДНЫМИ ЭКОСИТЕМАМИ ПРИ ПОМОЩИ СОПРЯЖЁННЫХ УРАВНЕНИЙ

2.1 Сопряжённая задача моделирования экосистемы мелководного пресного водоёма

2.2 Сопряжённая задача для модели экосистемы аэротенка-вытеснителя

2.3 Оценка чувствительности функционалов к изменениям параметров модели

2.4 Постановка задач линейной оптимизации

2.5 Алгоритм решения задач оптимального управления с использованием сопряжённых уравнений

2.6 Выводы к главе 2

ГЛАВА 3. ЧИСЛЕННАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ

3.1 Численные алгоритмы решения задач

3.2 Задачи управления концентрациями ЗВ в водной экосистеме Цимлянского водохранилища (часть Ростовской области)

3.2.1 Описание объекта исследования

3.2.2 Оценка чувствительности функционалов, характеризующих состояние экосистемы к изменениям параметров модели экосистемы ЦВ

3.2.3 Математическая модель экосистемы ЦВ

3.2.4 Управление водной экосистемой ЦВ

3.3 Управление очисткой сточных вод в аэротенке-вытеснителе

3.3.1 Оценка чувствительности функционалов, характеризующих эффективность процесса очистки к вариациям параметров

3.3.2 Задача оптимального управления режимами аэрации в аэротенке-вытеснителе

3.4 Выводы к главе 3

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение 1. Табличные значения констант математических моделей водных экосистем и задач управления

Приложение 2. Акты внедрения результатов исследования и свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Математические модели массопереноса для управления концентрациями неконсервативных примесей в водных экосистемах на основе решения обратных задач»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследований. Наблюдаемый рост населения планеты, увеличение объёмов промышленного производства и производственных отходов резко увеличивает нагрузку на экологические системы, что в целом отрицательно влияет на них. В настоящее время, избежать поступления загрязняющих веществ (ЗВ) в экосистемы невозможно. Поэтому возникает необходимость проведения постоянного контроля качества окружающей среды для обеспечения безопасного уровня воздействия на неё.

Одним из стандартных способов оценки уровня загрязнения служит контроль качества с помощью постов наблюдения. Но, даже разветвлённая сеть пунктов наблюдения не всегда может обеспечить получение достоверной информации для природоохранных служб. Повышение надёжности контроля может быть достигнуто в результате применение методов математического моделирования. Однако, во многих случаях даже наличие прогнозных оценок распространения ЗВ, полученных в результате решения прямой задачи математического моделирования, не может являться основой для выбора рекомендаций о величине допустимых сбросов. Это связано с тем, что реальные экосистемы представляют собой сложные структуры взаимодействия органических и неорганических веществ с живыми организмами. Поэтому, наиболее обоснованным здесь является подход, когда математическая модель экосистемы, реализованная в виде системы нелинейных дифференциальных уравнений в частных производных, в комплексе описывает сразу несколько процессов: массоперенос и биохимические реакции между примесями. При этом наиболее общие, обоснованные и важные для практики рекомендации о допустимых сбросах ЗВ могут быть получены только в результате решения обратной задачи оценки интенсивностей источников ЗВ, обеспечивающих допустимый уровень загрязнённости объектов мониторинга.

Диссертационная работа посвящена разработке новых математических методов моделирования, позволяющих выполнять прогноз процесса массопереноса ре-

агирующих веществ в экологических системах, и решению задач управления концентрациями неконсервативных примесей на основе решения обратных задач. Разработанные математические модели использованы для решения задач регулирования качеством воды мелководных пресных водоёмов и управления процессами, протекающими в элементах биологической очистки сточных вод. Предложенные методы математического моделирования, алгоритмы решения прямых и обратных задач, а также алгоритм оценки чувствительности функционалов к изменениям параметров моделей могут применятся в других задачах, связанных с массоперено-сом реагирующих веществ, таких как: решение обратных источниковых задач динамики и кинетики газовых примесей и аэрозолей в атмосфере, моделирование биологических процессов в живых организмах, управление процессами массопере-носа и реакции в аппаратах химических технологий и многих других.

Актуальность диссертации подтверждается выполнением работы в соответствии с Приоритетным направлением развития науки, технологий и техники в РФ «Рациональное природопользование» и Перечнем критических технологий Российской Федерации «Технологии мониторинга и прогнозирования состояния окружающей среды, предотвращения и ликвидации её загрязнения» (согласно Указу Президента РФ от 07.07.2011 г. № 899).

Диссертационная работа выполнена в рамках научного направления ЮРГПУ (НПИ) им. М.И. Платова «Технологии, сооружения и аппараты по очистке природных и сточных вод», и в рамках темы № 2819 «Развитие методов математического и компьютерного моделирования электротехнических, механических и экологических систем».

Степень разработанности темы исследования. Анализ литературы показывает, что на данный момент, в должной степени не освящены подходы к решению обратных задач выполнения оценки интенсивности источников ЗВ к модели, обеспечивающей достижение допустимого уровня загрязнённости в исследуемой экосистеме. Имеется много публикаций, посвящённых постановкам прямых задач и алгоритмам их численного решения. Большой вклад в развитие этой тематики был внесён такими учёными как: Г.П. Астраханцев, В.В. Алексеев, Г.И. Марчук,

А.И. Сухинов, А.Л. Чикин, С.Г. Сидируполо, В.В. Козлов, Е.А. Панасенко, Г.Ю. Ризниченко, С.Э. Йоргенсен, М. Хенце, K. Fennel, Е.В. Пахт, А.А. Корнев, С.И. Дембицкий, А.В. Никитина.

Объектом исследования является процесс массопереноса в природных экосистемах.

Предметом исследования являются математические модели, описывающие процесс массопереноса, с учётом динамики неконсервативных примесей и биохимических реакций, а также модели эффективного управления водными экосистемами, включающими реки и водоёмы, в которых наблюдаются процессы распространения загрязняющих веществ, и аэротенки-вытеснители, в которых осуществляется биологическая очистка сточных вод.

Под аэротенком-вытеснителем здесь понимается элемент очистного сооружения, в котором воды, загрязнённые соединениями азота и фосфора, смешиваются с активным илом (набором микроорганизмов), а также аэрируются кислородом, необходимым для протекания биохимических реакций. В ходе прохождения «смеси» по аэротенку происходит очищение сточных вод от ЗВ в процессе наращивания биомассы активного ила.

Целью работы является разработка новых математических моделей массо-переноса в экосистемах и развитие методов решения обратных задач для обеспечения оперативного управления качеством окружающей среды, включая экосистемы мелководных водоёмов и систем биологической очистки сточных вод.

Для достижения указанной цели решены следующие задачи:

В области математического моделирования:

- сформулированы математические модели водных экосистем, описывающие массоперенос неконсервативных примесей, и процессы биохимических взаимодействий между веществами, что характерно для мелководных пресных водоёмов в южной части России и для многих процессов происходящих на этапах биологической очистки сточных вод;

- сформулированы задачи управления состоянием экосистем (водными ресурсами) в вариационной постановке с ограничениями, формулируемыми с учётом краевых задач, описывающих массоперенос в экосистемах. Выделены наиболее значимые параметры влияния на рассматриваемые процессы путём исследования чувствительности моделей относительно значимых скалярных характеристик (функционалов) на основе метода сопряжённых уравнений.

В области численных методов:

- разработаны алгоритмы численного решения прямых и обратных задач динамики неконсервативных примесей в экосистемах;

- проведён анализ чувствительности функционалов качества воды и эффективности очистки к вариациям параметров методами теории малых возмущений и сопряжённых уравнений.

В области разработки комплексов программ:

- разработан комплекс программ, реализующий численный алгоритм решения прямой и сопряжённой к ней задачи моделирования массопереноса и задач управления экосистемами мелководного пресного водоёма и элементами биологической очистки сточных вод типа аэротенк-вытеснитель, а также численный алгоритм оценки чувствительности функционалов к вариациям параметров моделей.

Научная новизна полученных автором результатов заключается в следующем:

В области математического моделирования:

- разработаны математические модели массопереноса, описывающие многомерные нестационарные процессы переноса, диффузии и биохимических реакций между органическими и неорганическими веществами с живыми организмами, отличающиеся повышенной точностью по сравнению с известными реализованными моделями; описывающие процессы ингибирования роста микроорганизмов при повышенных концентрациях субстрата, что характерно для процессов происходящих в мелководных пресных водоёмах в южной части России, а также для многих процессов происходящих на этапах биологической очистки сточных вод;

- выполнены вариационные постановки задач оптимального управления качеством вод и процессами биологической очистки сточных вод, ориентированные на решение проблем охраны водных ресурсов.

В области численных методов:

- разработаны алгоритмы численного решения задач управления экосистемой, описанной полулинейной системой дифференциальных уравнений в частных производных, на основе решения обратных задач за счёт оценки допустимой мощности источников;

- предложен алгоритм, обеспечивающий возможность численного анализа чувствительности функционалов к вариациям параметров моделей на основе решения сопряжённых уравнений.

В области разработки комплексов программ:

- предложенные алгоритмы реализованы в виде комплекса программ, решающего прямые и обратные задачи динамики концентраций неконсервативных примесей в экосистемах. Применительно к задачам управления водными объектами разработан программный комплекс, отличающийся тем, что одновременно позволяет проводить геоинформационную обработку топографической карты водоёма; моделировать состояния экосистем в мелководных пресных водоёмах и элементах биологической очистки сточных вод; решать прямые краевые задачи, задачи в линейном приближении и сопряжённые к ним, а также задачи оптимального управления; проводить анализ чувствительности функционалов, характеризующих состояние экосистемы или эффективность процесса очистки, к вариациям параметров моделей водных экосистем. Комплекс программ предназначен для использования природоохранными организациями и проектными организациями, занимающиеся разработкой очистных сооружений.

Методы исследований основаны на использовании математического аппарата дифференциальных, сопряжённых и разностных уравнений, теории малых возмущений, современных технологий проведения вычислительного эксперимента. Алгоритмы и методы численного анализа, предложенные для исследования

массопереноса неконсервативных примесей, реализованы на языке программирования Python, в интерактивной среде PyCharm.

Теоретическая значимость работы заключается в развитии методов математического моделирования экологических систем и методов решения обратных задач восстановления интенсивности источников загрязнения с учётом динамики концентраций неконсервативных примесей.

Практическая значимость. На основе полученных в диссертации математических моделей и алгоритмов с использованием комплекса программ выполнены численные эксперименты по определению временно-согласованных сбросов для водопользователей Ростовской части Цимлянского водохранилища с учётом гармонизации экономических интересов участников водохозяйственного объекта; по нахождению оптимального режима аэрации аэротенка-вытеснителя станции городской очистки сточных вод. Разработанные программы также могут использоваться природоохранными организациями для определения концентрации ЗВ в зоне водозабора водного объекта и для установления оптимального режима аэрации для элемента биологической очистки.

Основные результаты, выносимые на защиту:

1. Математические модели водных экосистем, описывающие многомерные нестационарные процессы переноса, диффузии и биохимических реакций между биогенами, фито- и зоопланктоном, и растворённым кислородом, учитывающие процессы ингибирования роста микроорганизмов повышенными концентрациями субстрата.

2. Вариационные постановки задач оптимального управления качеством вод для решения проблем охраны водных ресурсов, и постановки вариационных задач управления процессами биологической очистки сточных вод.

3. Алгоритмы численного решения задач управления концентрациями неконсервативных примесей в экосистеме на основе решения обратных задач для поиска допустимой мощности источников; алгоритм численного анализа чувствительности функционалов к вариациям параметров моделей на основе решения сопряжённых уравнений.

4. Комплекс программ, позволяющий проводить геоинформационную обработку топографической карты водоёма; моделировать состояния экосистем в мелководных пресных водоёмах и элементах биологической очистки сточных вод; решать прямые краевые задачи в линейном приближении и задачи, сопряжённые к ним; решать задачи оптимального управления; проводить анализ чувствительности функционалов к вариациям параметров моделей водных экосистем.

5. Результаты численных экспериментов по определению временно-согласованных сбросов для водопользователей Ростовской части Цимлянского водохранилища; по нахождению оптимального режима аэрации аэротенка-вытеснителя городской станции очистки сточных вод; анализ чувствительности функционалов к вариационным параметрам моделей водных экосистем.

Достоверность полученных результатов научных положений и выводов, сделанных в диссертационной работе, следует из адекватности используемых математических моделей и численных методов. Результаты численных экспериментов согласуются с известными натурными данными.

Соответствие паспорту специальности. Диссертация выполнена в соответствии с требованиями специальности 05.13.18 - Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ. Области исследования: 1 - Разработка новых математических методов моделирования объектов и явлений; 4 - Реализация эффективных численных методов и алгоритмов в виде комплексов проблемно-ориентированных программ для проведения вычислительного эксперимента; 5 - Комплексные исследования научных и технических проблем с применением современной технологии математического моделирования и вычислительного эксперимента; 8 - Разработка систем компьютерного и имитационного моделирования.

Апробация результатов. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференциях:

- Международная научно-практическая конференция «Биосферносовмести-мые города и поселения», г. Брянск, 2012 г.;

- II Международная научная конференция преподавателей, аспирантов, магистрантов и студентов вузов «Наука. Образование. Культура. Вклад молодых исследователей», г. Новочеркасск: ЮРГПУ (НПИ), 2013 г.;

- Международная конференция «Advanced Construction and Building Technology for Society», г. Мюнхен (Германия), 2014 г.;

- Международная конференция «Creative Construction Conference», г. Прага (Чехия), 2014 г.;

- XV Международная научно-практическая конференция «Методы и алгоритмы прикладной математики в технике, медицине и экономике», г. Новочеркасск: ЮРГПУ (НПИ), 2015 г.

Результаты исследований обсуждались на научном семинаре Института электротехники и информационных технологий ТУ г. Дортмунд (Германия). Результаты исследований внедрены в учебный процесс ЮРГПУ (НПИ) им. Платова, используются в ФГБУ РосИНИВХЦ, ООО «Ассоциация Экотехмониторинг», что подтверждается актами внедрения.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ общим объёмом 109.06 п.л., в том числе 2 статьи в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК, 1 статья в научном журнале, цитируемом в базе данных Scopus, 1 монография. Получено 1 свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ.

Личный вклад автора. В совместно опубликованных работах Жменя Е.С. выполнила формулировку математических моделей для водных экосистем и задач эффективного управления ими, описание алгоритмов их численного решения, а также программную реализацию описанных алгоритмов на ЭВМ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 3 глав, заключения, списка литературы, включающего 107 наименований. Общий объем работы составляет 154 страницы, в диссертации содержится 26 рисунков и 21 таблица.

В первой главе приводятся постановки задач оптимального управления концентрациями неконсервативных примесей в водных экосистемах и математические модели этих систем. Обоснована актуальность решаемой проблемы, выполнен обзор ведущих водных политик России, стран ЕС, США и Канады. Проанализированы подходы к математическому описанию биохимических реакций между примесями в водных экосистемах, проведена классификация описывающих их математических моделей. На основании выполненного анализа поставлены краевые задачи, описывающие динамику водной экосистемы с учётом ингибирования роста микроорганизмов повышенными концентрациями субстрата, что характерно для процессов, происходящих в мелководных пресных водоёмах в южной части России, а также для многих процессов происходящих на этапах биологической очистки сточных вод. Далее сформулирован набор скалярных характеристик (функционалов) для оценки состояния качества вод экосистемы и поставлены задачи оптимального управления водохозяйственными комплексами в виде обратных задач восстановления интенсивности источников загрязнения в вариационной постановке.

Во второй главе даётся описание алгоритмов решения задач оптимального управления экосистемами при помощи сопряжённых уравнений, описывается алгоритм оценки чувствительности функционалов к изменениям параметров моделей экологических систем.

Третья глава посвящена построению численных алгоритмов решения поставленных задач, описанию реализующего их комплекса программ и проведению численного эксперимента для моделирования задач оптимального управления водными экосистемами.

В заключении сформулированы основные научные результаты диссертационной работы.

ГЛАВА 1.

МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ОПТИМАЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИЯМИ НЕКОНСЕРВАТИВНЫХ ПРИМЕСЕЙ В ВОДНЫХ ЭКОСИСТЕМАХ

Экономический и промышленный уровень развития региона, физические особенности водного объекта, а также уровень осознанности населением важности защиты окружающей среды - всё это в совокупности влияет на экосистему водного объекта. В данной главе рассмотрены водные политики РФ, стран ЕС, США и Канады и проведён обзор математических моделей, применяемых для прогнозирования процессов эвтрофикации водных объектов. На основе выполненного анализа сформулированы математические постановки задач управления концентрациями неконсервативных примесей в водной экосистеме, ориентированные на решение проблем охраны водных ресурсов. Также рассмотрены некоторые задачи инженерной экологии, связанные с оптимизацией технологических процессов биологической очистки сточных вод. Проведён обзор математических моделей, описывающих изменение концентраций неконсервативных примесей в процессе очистки сточных вод, сформулированы прямые и обратные к ним задачи в вариационной постановке.

1.1 Мировая проблема защиты водных ресурсов

«Вода для жизни» - международное десятилетие 2005 - 2015 г. Генеральной ассамблеи ООН. С начала XXI века задача рационального регулирования водными ресурсами поставлена во всех развитых и развивающихся странах планеты как одна из основных [1]. Кроме ежегодных проводимых форумов и конференций, на постоянной основе функционируют десяток мировых организаций, занимающихся решением этой задачи [2]. Наиболее крупные из них являются:

- Международная ассоциация по водным ресурсам (IWRA) - некоммерческая, неправительственная, образовательная организация, созданная в 1971 году.

- Международное бюро по водным ресурсам (International Office for Water) - некоммерческое объединение общественных и частных партнёров, вовлечённых в управление водными ресурсами и охрану из Франции, Европы и остального мира.

- Межисламская сеть по развитию и управлению водными ресурсами (INWRDAM 1987) - основная цель организации является установление тесного сотрудничества между странами-членами Организации исламского комитета в сфере развития и управления водными ресурсами.

- Международная сеть бассейновых организаций (International Network of Basin Organization) - цель организации это достижение рационального и сбалансированного управления водными ресурсами при устойчивом социально-экономическом развитии.

- Центр знаний Азиатско-Тихоокеанского Водного Форума (Asia-Pacific Water Forum Knowledge Hubs) - некоммерческое объединение национальных водохозяйственных органов пяти государств региона, занимающихся совместным управлением трансграничными водными ресурсами в бассейне Аральского моря.

- Азиатско-Тихоокеанский Водный Форум (Asia-Pacific Water Forum) - сеть, направленная на решение проблем водного хозяйства Азиатско-Тихоокеанского региона.

- Всемирный Водный Совет: международная многостороння платформа для обеспечения глобальной водной безопасности (World Water Council) - основан в 1996 году, организации присвоен специальный консультативный статус.

Основными общими целями перечисленных организаций является: обмен знаниями по управлению водными ресурсами и помощь странам, где ситуация с водными ресурсами проявляется особенно остро. В тоже время, из-за географических особенностей и экономического развития, каждая страна имеет свою собственную водную политику. Следует отметить, что особое внимание во всех странах уделяется политике контроля и улучшения качества водных ресурсов. Рассмотрим водные политики, проводимые в Российской Федерации, странах Европейского Союза, США и Канады.

1.1.1 Подход к регулированию водных ресурсов в странах ЕС, США и Канады

Законодательная история водной политики Европейского Союза начинается с 1973 года. Более 40 лет водное законодательство стран ЕС менялось и улучшалось. Основные составляющие европейского водного законодательства приведены в таблице 1.1 [3].

Таблица 1.1 - Европейское водное и связанное с ним законодательство

Вид законодательства Правовые элементы водной политики

Концептуальное законодательство Рамочная директива по воде (2000/60/ЕС)

Законодательство, ориентированное на установление нормативов качества воды Директива по качеству воды для купания (для пляжных зон) (2006/7/ЕС)

Директива по питьевой воде (98/83/ЕС)

Директива по отводу питьевых вод от поверхностных (75/440/ЕЕС)

Директива по качеству воды для рыболовства в пресноводных водоёмах (78/659/ЕЕС)

Директива по качеству воды для промысла моллюсков (79/923/ЕЕС)

Законодательство, ориентированное на контроль за сбросами Директива по очистке городских сточных вод (91/271/ЕЕС)

Директива по нитратам сельскохозяйственного происхождения (91/676/ЕЕС).

Директива по грунтовым водам (2006/118/ЕС)

Директива по опасным веществам (76/464/ЕЕС)

Директива по интегрированному контролю и предотвращению загрязнения (96/61/ЕС).

Контроль за сбросами из неточечных (диффузных) источников Директива по средствам защиты растений (91/414/ЕС).

Маркетинг и использование опасных веществ и препаратов (76/769/ЕЕС).

Биоциды (98/8/ЕС).

Мониторинг и отчётность Общеустановленные процедуры по информационному обмену (77/795/ЕЕС)

Главным документом в области охраны водных экосистем является Рамочная Директива по Воде (РДВ) [4]. Основными целями данной директивы являются [5]:

- комплексный подход к защите всех видов водных объектов;

- достижение оптимально «хорошего» состояния всех вод;

- использование бассейнового принципа к управлению водными ресурсами, в соответствии с которым основной единицей управления выступает территория речного бассейна;

- трансграничное управление с прибрежными странами (один речной бассейн - единый план управления);

- использование принципа «загрязнитель платит»;

- широкомасштабное привлечение граждан.

«Хорошее» состояние всех вод достигается при помощи законодательства, ориентированного на установление нормативов качества воды, и законодательства, ориентированного на контроль за сбросами. Каждая страна ЕС устанавливает свои нормативы сбросов ЗВ, но в концепции применения наилучшей существующей очищающей технологии [4]. Таким образом, должно происходить постепенное уменьшение объёмов сбросов ЗВ, и, соответственно, улучшение качества вод.

Уменьшение объёма сбросов загрязняющих веществ также стимулируется и с экономической позиции применением принципа «загрязнитель платит». Идея данного принципа заключается в том, что предприятия, оказывающие негативное влияние на окружающую среду, должны нести расходы по осуществлению мер по компенсации причинённого вреда [6]. Зачастую, эти расходы в разы выше, чем расходы, понесённые на очистку загрязнённой воды.

Выполнение этих целей достигается при полной доступности информации о состоянии поверхностных и подземных вод по каждому речному бассейну, а также информации о достижениях и недостатках водной политики государства. Согласно РДВ, общественность может принимать активное участие в разработке, принятии и пересмотре планов управления речными бассейнами [5].

С появлением обоснованных сигналов о загрязнении окружающей среды под влиянием быстрорастущего промышленного развития, начинается формирование экологического законодательства США. В настоящее время, федеральное экологическое законодательство США разделяется на статуты (правовые акты) в области экологической экспертизы и статуты, посвящённые конкретным ресурсам.

Так, к первой группе законов относится Акт о национальной политики в области окружающей среды, изданный президентом Никсоном в 1969 году. Дополнением и продолжением этого закона является Акт об улучшении качества окружающей среды, изданный в 1970 году. Данные правовые акты закреплены в качестве механизмов реализации экологических стандартов экополитики, предварительной оценки воздействий на окружающую среду и долгосрочного программирования природоохранной деятельности. Во вторую группу статутов относятся: Акт о чистом воздухе, Акт о чистой воде, Акт о сохранении и восстановлении ресурсов, Акт о контроле за ядовитыми веществами и т.д. [7].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Жменя, Евгения Сергеевна, 2016 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Орлова А.А., Чечевишников А.Л., Чернявский С.И., Федорченко А.В. Проблема пресной воды: глобальный контекст политики России // Вестник МГИМО Университета. Издательство: Московский государственный институт международных отношений (университет) Министерства иностранных дел Российской Федерации (Москва), № 3, 2011. С. 45-52.

2. CAWATERinfo. Международные водные организации, URL: http://www. cawater-info. net/int_org/mdex.htm

3. Кампа Е., Уорд Д.Г., Лейппранд А. Сближение с водной политикой Европейского Союза (ЕС). Краткий путеводитель для стран-партнеров по Европейской политике добрососедства, и России. ECOLOGIC - Институт Международной и европейской Экологической Политики, 2008. 28 стр.

4. Директива Европейского Парламента и Совета ЕС №2 2000 60 ЕС от 23 октября 2000 г. «Об установлении рамок деятельности Сообщества в области водной политики», URL: http://www.caresd.net/iwrm/new/doc/direct.pdf.

5. Обиюх Н.М. Некоторые вопросы правовой охраны водных объектов в экологическом праве Европейского Союза // Юридическая наука и практика: вестник Нижегородской академии МВД России, № 2 (26), 2014. С. 250-254.

6. ПрофЭко: экологическое проектирование, колсандинг и аудит. Принцип «загрязнитель платит»,

URL: http: //www. ecoprofy. ru/ekoblog/zagrj aznitel-platit. html.

7. Морозова В.Н. Мировая экологическая политика и международное экологическое сотруднечество. Воронеж: Издательско-полиграфический центр Воронежского государственного университета, 2007. 126 стр.

8. Корнев А.В., Кузьмин В.Н. Роль экологического законодательства в обеспечении экологической безопасности США // Труд и социальные отношения, № 7, 2010. С. 107-116.

9. Фененко А.В. Экологическая политика США. Беседы об Америке // Международные процессы, Т. 8, № 24, 2010. С. 138-142.

10. Кананыкина Е.С. Особенности государственного устройства Канады и федеративная экологическая политика // Вестник Ишимского государственного педагогического иститута им. П.П. Ершова , № 2 (2), 2012. С. 36-44.

11. Ярыгин Г.О., Миняева Д.Д. Экологические приоритеты политики либеральной партии и премьер-министра Канады Джастина Трюдо // Азимут научных исследований: экономика и управление, № 4 (13), 2015. С. 103-107.

12. О проведении в Российской Федерации Года охраны окружающей среды: указ Президента РФ № 33, Ст. 4634, URL: http://www.consultant.ru, 2012.

13. Абанина Е.Н., Тарасова Е.А. Экологичсекие факторы формирования современной экологической политики России // Вестник КРАГСиУ. Серия «Государство и право», № 16, 2013. С. 21-25.

14. Основы государственной политики в области экологического развития Российской Федерации на период до 2030 года (утв. Президентом РФ 30.04.2012), URL: http://www.consultant.ru.

15. Об утверждении государственной программы Российской Федерации «Охрана окружающей среды» на 2012-2020 годы»: распоряжение Правительства РФ от 27.12.2012 № 2552-р, URL: http://www.consultant.ru, 2013.

16. Об утверждении государственной программы Российской Федерации «Воспроизводство и использование природных ресурсов»: распоряжение Правительства РФ от 26.03.2013 №2 436-р, URL: http://www.consultant.ru, 2013.

17. Концепция внешней политики Российской Федерации (утв. Президентом РФ 12.02.2013), URL: http://www.consultant.ru.

18. Водный кодекс Российской Федерации от 03.06.2006 № 74-ФЗ, URL: http://www.consultant.ru.

19. Панина И.А., Белодед Д.С. Актуальные проблемы водного законодательства в России // Электронный научно-образовательный журнал ВГСПУ «Грани познания», № 4 (38), Май 2015. С. 3-8.

20. Сиваков Д.О. Водный кризис и перспективные задачи развития водного права // Материалы ежегодной научно-практической конференции «Экологическое образование в интересах устойчивого развития». 2015. Т. 2. С. 732-739.

21. Субботина Ю.М. Эколого-социальные аспекты использования и охраны водных ресурсов // Социальная политика и социология, № 5 (83), 2012. С. 166-176.

22. Приказ Министерства природных ресурсов Российской Федерации от 12 декабря 2007 г. № 328 «Об утверждении методических указаний по разработке нормативов допустимого воздействия на водные объекты», URL: http://www. consultant.ru.

23. Приказ Министерства природных ресурсов Российской Федерации от 17 декабря 2007 г. № 333 «Об утверждении Методики разработки нормативов допустимых сбросов веществ и микроорганизмов в водные объекты для водопользователей», URL: http://www.consultant.ru.

24. Автоматизированная информационная система государственного мониторинга водных объектов. Утвержденные нормативы допустимого воздействия на водные объекты, Запрос от 05.09.2016 URL: https://gmvo.skniivh.ru/index.php?id=420.

25. Росбалт. В Подмосковье возбуждено уголовное дело по факту массовой гибели рыбы в акватории реки Македонки, URL: http://www.rosbalt.ru/moscow/2016/11/01/1563794.html, Запрос от 02.11.2016.

26. Блокнот. В Цимлянском районе произошла массовая гибель рыбы, URL: http://bloknot-volgodonsk.ru/news/v-tsimlyanskom-rayone-proizoshla-massovaya-gibel-r-790814, Запрос от 02.11.2016.

27. Pasmi.ru Первое Антикоррупционное СМИ. Заинская ГРЭС ответит за массовую гибель рыбы, URL: http://pasmi.ru/archive/158982, Запрос от 02.11.2016.

28. Монависта. Агенство конфликтных ситуаций. В Волгограде продолжается массовый мор рыбы, URL: http://volgograd.monavista.ru/news/2298267/, Запрос от 02.11.2016.

29. Портал РгоГород. Нижегородские экологи назвали причины массовой гибели рыбы, URL: http://progorodnn.ru/news/64306, Запрос от 02.11.2016.

30. Агентство новостей «Между строк». Прокуратура внесла представление Сергею Носову за «гнилую» питьевую воду в Нижнем Тагиле , URL: https://mstrok.ru/news/prokuratura-vnesla-predstavlenie-sergeyu-nosovu-za-gniluyu-pitevuyu-vodu-v-nizhnem-tagile.html, Запрос от 02.11.2016.

31. Новая газета. Глава Дагестана назвал причину массового отравления водой, URL: https://www.novayagazeta.ru/news/2016/11/02/126244-glava-dagestana-nazval-prichinu-massovogo-otravleniya-vodoy, Запрос от 02.11.2016.

32. Кодекс Российской Федерации об административных правонарушениях от 30.12.2001 № 195-ФЗ (ред. от 06.07.2016, URL: http://www.consultant.ru/.

33. Zhen-Gang J. Hydrodynamics and water quality: modeling rives, lakes, and estuaries. Published by John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey, 2008. 676 стр.

34. Алексеев В.В., Крышев И.И., Сазыкина Т.Г. Физическое и математическое моделирование экосистем. Монография. СПб: Гидрометеоиздат, 1992. 368 стр.

35. Ризниченко Г.Ю. Математические модели в биофизике и экологии. Москва-Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2003. 184 стр.

36. Дворецкий Д.С., Дворецкий С.И., Муратова Е.И., Ермаков А.А. Компьютерное моделирование биотехнологических процессов и систем: Учеб. пособие. Тамбов: Издательство ТГТУ, 2005. 80 стр.

37. Клыков С.П., Кураков В.В. Кинетическая структурированная модель для культивирования клеток в хемостате // Химическая промышленность. Процессы и аппараты химических производств, Т. 89, № 7, 2012. С. 333-342.

38. Andrews J.F. A Mathematical Model for the Continuous Culture of Microorganisms Utilizing Inhibitory Substrates // Biotechnology and Bioengineering, № 10, 1968. С. 707-723.

39. Ризниченко Г.Ю. Лекции по математическим моделям в биологии, http://library.biophys.msu.ru/LectMB/lect09.htm.

40. Умаров М.М., Кураков А.В., Степанов А.Л. Микробиологическая трансформация азота в почве. М.: ГЕОС, 2007. 138 стр.

41. Хенце М., Армоэс П., Ля-Кур-Янсен Й., Арван Э. Очистка сточных вод. М.: Мир, 2008. 471 стр.

42. Сидиропуло С.Г. Математическое моделирование переноса загрязнения в Цимлянсокм водохранилище, Ростов-на-Дону, Автореферат дисс. на соик. уч. степ. к. т. н. 2007.

43. Наац В.И. Вычислительная модель нестационарного уравнения переноса примеси на основе метода взвешенной невязки // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Серия: Естественные науки, №. S5, 2004. С. 1-15.

44. Каргин Н.И., Наац В.И. Численное исследование сеточных моделей для нестационарного уравнения переноса // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Серия: Естественные науки, № 4, 2004. С. 18-23.

45. Тескер Н.М., Аникеев В.В. Математическая модель распространения нефтяного пятна при разливах нефти и нефтепродуктов на поверхности водных объектов // Известия высших учебных заведений. Геология и разведка, № 2, 2005. С. 64-69.

46. Астраханцев Г.П., Меншуткин В.В., Петрова Н.А., Руховец Л.А. Моделирование экосистем больших стратифицированных озер. СПб: Наука, 2003. 363 стр.

47. Щепетова В.А., Кузина В.В. Математичское моделирование как метод прогнозирования изменения состояния водных экосистем на примере Пензенского водохранилища // Фундаментальные исследования, Т. 8, № 6, 2013. С. 1373-1377.

48. Козлов В.В. Разработка нестационарной математической модели вторичного загрязнения водного объекта с учетом материального обмена с донными отложениями // Вычислительные технологии, Т. 13, № S1, 2008. С. 36-42.

49. Чикин А.Л. Разработка и реализация двухслойной математической модели гидрофизических процессов в водоемах с обширными районами мелководья

на высокопроизводительных вычислительных системах, Москва, Автореферат диссерт. на соиск. уч. степен. д. ф-м. н. 2009.

50. Чикин А.Л., Шабас И.Н., Сидиропуло С.Г. Математическая модель распространения радионуклидов в Цимлянском водохранилище в случае их залпового выброса // Наука Юга России, Т. 2, № 3, 2006. С. 78-81.

51. Шабас И.Н., Чикин А.Л., Чикина Л.Г. Математическое моделирование задач переноса многокомпонентных примесей в Азовском море на многопроцессорных вычислительных системах // Известия ЮФУ. Технические науки, № 12 (161), 2014. С. 200-210.

52. Булгаков А.Г., Ермаченко П.А., Бузало Н.С. Исследование триггерной структуры процессов в аэротенке-смесителе при ингибировании нитрификации высокими долями аммония // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия Техника и технологии, № 2, 2014. С. 20-30.

53. Fennel K. Convection and the Timing of Phytoplankton Spring Blooms in the Western Baltic Sea // Estuarine, Coastal and Shelf Science, № 49, 1999. С. 113-128.

54. Корнев А.А., Дембицкий С.И., Уртенов М.Х. Математическое моделирование процесса деструкции нефтяного загрязнения в Азовском море // Георесурсы, № 2 (34), 2010. С. 42-46.

55. Никитина А.В., Семенов И.С. Параллельная реализация модели динамики токсичной водоросли в Азовском море с применением многопоточности в операционной системе Windows // Известия ЮФУ. Технические науки, № 1 (138), 2013. С. 130-135.

56. Сухинов А.И., Никитина А.В. Математическое моделирование и экспедиционные исследования качества вод в Азовском море // Известия ЮФУ. Технические науки, № 8 (121), 2011. С. 62-73.

57. Пахт Е.В. Моделирование с учетом неопределенности данных экосистемы эвтрофного озера // Математическая биология и биоинформатика, Т. 9, № 2, 2014. С. 319-340.

58. Бакаева Е.Н., Игнатова Н.А. Качество вод приплотинной части Цимлянского водохранилища в условиях цветения сине-зеленых микроводорослей // Глобальная ядерная безопасность, № 1 (6), 2013. С. 23-28.

59. Кузнецов П.И., Фролова М.В., Московец М.В., Кузнецова В.И. Экологические проблемы эвтрофирования внутренних континетаьных водоемов юга России и биотехнологический метод повышения качества воды // Инженерно-строительный вестник Прикаспия, № 2, 2013. С. 61-67.

60. Ризниченко Г.Ю., Рубин А.Б. Биофизическая динамика продукционных процессов. Москва-Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2004. 464 стр.

61. Йоргенсен С.Э. Управление озерными системами. Пер. с англ. М.: Агропромиздат, 1985. 160 стр.

62. Воронов Ю.В., Яковлев С.В. Водоотведение и очистка сточных вод / Учебник для вузов. М.: Издательство Ассоциации строительных вузов, 2006. 704 стр.

63. Buzalo N., Ermachenko P., Bulgakov A., Bock T. Mathematical Modelling of Phosphorus Accumulation in Photo-Biological Treatment Plants of a Biosphere-Compatible City // Proceedings of the 32st ISARC, 2015. С. 1-9.

64. Патанкар С. Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкости: пер. с англ. М.: Энергоатомиздат, 1984. 152 стр.

65. Панасенко Е.А. Численное решение обратных задач переноса прмеси на многопроцессорных вычислительных системах, Томский государственный университет, Томск, Диссертация 2010.

66. Марчук Г.И. Математическое моделирование в проблеме окружающей среды. М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1982. 320 стр.

67. Рябцев Ю.Н., Шарипо Н.Б. Оптимизация размещения источников загрязнения на Севастопольском взморье с учетом минимизации ущерба рекреационным зонам // Екол. безпека прибереж. та шельф. зон та комплекс. використ. ресурав шельфу, № 15, 2007. С. 280-298.

68. Старченко А.В., Панасенко Е.А., Беликов Д.А., Барт А.А. Математическое обеспечение компьютерных тренажеров для принятия решения в чрезвычайной ситуации, возникшей в результате аварийного выброса газодиспесного облака в атмосферу // Открытое и дистанционное образование, № 3, 2008. С. 42-46

69. Панасенко Е.А., Старченко А.В. Параллельная реализация численного метода решения обратных задач переноса примеси с целью прогнозирования чрезвычайных ситуаций // Научный сервис в сети Интернет: решение больших задач: труды Всероссийской научной конференции, 2008. С. 140-144.

70. Карчевский А.Л. Корректная схема действий при численном решении обратной задачи оптимизационным методом // Siberian Electronic Mathematical Reports, Т. 5, 2008. С. 609-619.

71. Берлянд М.Е. Прогноз и регулирование загрязнения атмосферы. Л. Гидрометеоиздат, 1985. 272 стр.

72. Марчук Г.И. Экономические критерии планирования, охраны и восстановления окружающей среды // Ж. вычисл. матем. и матем. физ., Т. 20, № 6, 1980. С. 1365-1372.

73. Пененко В.В., Алоян А.Е. Модели и методы для задач охраны окружающей среды. Новосибирск: Наука, 1985. 255 стр.

74. Aloyan A.E., Arutyunyan V.O. Control theory and environmental risk assessment // Springer Series С - Environmental Security: Air, Water and Soil Quality Modelling for Risk and Impact Assessment., 2007. С. 45-54.

75. Шангареева Г.Р., Григорьев И.В., Мустафина С.А. Сравнительный анализ численных алгоритмов решения задач оптимального управления // Вестник технологического университета, Т. 19, № 8, 2016. С. 119-122.

76. Марчук Г.И. Построение сопряженных операторов в нелинейных задачах математической физики // Матем. сб., Т. 189, № 10, 1998. С. 75-88.

77. Марчук Г.И. Сопряженные уравнения и анализ сложных систем. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1992. 336 стр.

78. Волков Е.А. Численные методы. М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1982. 256 стр.

79. Бочаров Г.А., Марчук Г.И. Прикладные проблемы математического моделирования в иммунологии, Ж. вычисл. матем. и матем. физ., Т. 40, № 12, 2000. С. 1905-1920.

80. Марчук Г.И. Математические модели в иммунологии. Вычислительные методы и эксперименты. - 3-е изд., перераб. и доп. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1991. 304 стр.

81. Самарский А.А. Теория разностных схем. - 3-е изд., испр. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1989. 616 стр.

82. Марчук Г.И. Методы вычислительной математики. М.: Главная редакция физико-математической литературы издательства «Наука», 1977. 456 стр.

83. Вабищевич П.Н., Павлов А.Н., Чурбанов А.Г. Численные методы решения нестационарных уравнений Навье-Стокса в естественных переменных на частично разнесенных сетках // Матем. моделирование, Т. 9, № 4, 1997. С. 85-114.

84. Крукиер Л.А., Мартынова Т.С. О влиянии формы записи уравнения конвекции-диффузии на сходимость метода верхней релаксации // Журнал вычислительной математики и математической физики, Т. 39, № 11, 1999. С. 1821-1827.

85. Ладыженская О.А. Математические вопросы динамики вязкой несжимаемой жидкости. М.: Наука, 1970. 288 стр.

86. Самарский А.А., Вабищевич П.Н. Аддитивные схемы для задач математической физики. М.: Наука, 1999. 320 стр.

87. Казьмина Л.Н. Трансформация вещественнго обмена в гидрологических процессах крупным искусственным водоёмом степной зоны (на примере Цимлянского водохналища), Российская академия наук. Институт географии, Москва, диссертация 1996.

88. Жменя Е.С., Бузало Н.С. Математическое моделирование распространения и рассеивания двух реагирующих веществ в водной среде // Математическое моделирование распространения и рассеивания двух реагирующих веществ в водной среде. Новочеркасск. 2015. С. 27-29.

89. Информационная бюллетень о состоянии Цимлянского водохранилища за 2008 г., Министерство водных ресурсов и экологии России. Федеральное агентство водных ресурсов. Федеральное государственное учреждение

«Управление водными ресурсами Цимлянского водохранилища», Цимлянск, 2009.

90. СанПиН 2.1.4.1175-02 «Гигиенические требования к качеству воды нецентрализованного водоснабжения. Санитарная охрана источников»,.

91. ГН 2.1.5.1315-03 Предельно-допустымые концентрации химических веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования.

92. Березовская Н.Я. Анализ экологической и водохозяйственной обстановки на Цимлянском водохранилище и Нижнем Дону в условиях низкой водности 2011 года, Ростов-на-Дону, доклад 2011.

93. Росводресурсы. Нормативы допустимого воздействия на водные объекты бассейна р.Дон, URL: http://old.mnr.gov.ru/activities/detail.php?ID=5907.

94. Солнечная радиация. Таблицы инсоляции,

URL: http://net220.ru/poleznye_stati/solnechnaya_radiaciya_tablicy_insolyacii/, Запрос от 03.11.2016.

95. Динамические модели в биологии,

URL: http://www.dmb.biophys.msu.ru/registry?article=9826, Дата запроса: 10.10.2016 г.

96. Стельмах Л.В., Губанов В.И., Бабич И.И. Сезонные изменения скорости роста и лимитирование фитопланктона питательными веществами в прибрежных водах Черного моря в районе Севастополя // Морской экологичсекий журнал, Т. 3, № 4, 2004. С. 55-73.

97. Булгаков А.Г., Жменя Е.С., Бузало Н.С. К вопросу обеспечения данными эколого-экономических моделей регулирования сбросов загрязняющих веществ в водные объекты // Биосферносовместимые города и поселения:

материалы междунар. науч.-практ. конф. (11-13 дек. 2012г., Брянск), 2012. С. 168-174.

98. Постановление Правительства Российской Федерации от 28 августа 1992 г. №2 632 «Об утверждении порядка определения платы и ее предельных размеров за загрязнение окружающей природной среды, размещение отходов, другие виды вредного воздействия».

99. Постановление Правительства РФ от 13.09.2016 N 913 "О ставках платы за негативное воздействие на окружающую среду и дополнительных коэффициентах.

100. Народная служба тарифов, URL: http://www.newtariffs.ru/.

101. МУП «ВКХ» (Водоканал) г. Волгодонск, URL: http://www.mupvkh.ru/.

102. Ассоциация защиты информационных прав инвесторов, URL: http://www.e-disclosure.azipi.ru/.

103. ОАО Волгодонской рыбокомбинат, URL: http://www.vrkvdonsk.ru/.

104. Стратегия социально-экономического развития Ростовской области до 2020 г., URL: www.donland.ru\Default.aspx?pageid=85416#g2.

105. Ветошкин А.Г. Процессы и аппараты защиты гидросферы. Учебное пособие. Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2004. 188 стр.

106. Харькина О.В. Эффективная эксплуатация и расчёт сооружений биологической очистки сточных вод. Волгоград: Панорама, 2015. 433 стр.

107. Мойжес О.В., Харькина О.В. Динамическая модель OxiD сооружений биологической очистки сточных вод // Водоснабжение и санитарная техника, №. 10, 2008. С. 52-57.