Метод прогнозирования загрязнения поверхностных вод на основе модели контроля с использованием ГИС-технологий: На примере Орловского региона тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.13, кандидат технических наук Плетнев, Андрей Леонидович

• Плетнев, Андрей Леонидович
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Плетнев, Андрей Леонидович

Введение •

Глава 1 Проблемы контроля, охраны и восстановления качества 12 поверхностных вод.

1.1 Общие аспекты контроля, охраны и восстановления качества воды

1.2 Контроль и восстановление качества поверхностных вод

1.3 Охрана поверхностных вод 22 1.4Экологические аспекты контроля, восстановления и охраны качества поверхностных вод

1.5 Важнейшие условия формирования качества воды

1.6 Общие аспекты антропогенного воздействия на речную экосистему

1.7 Использование рек и критерии качества воды

1.8 Элементы восстановления и сохранения качества воды

1.8.1 Изолирование загрязняющих веществ

1.8.2 Удаление загрязняющих веществ

1.8.3 Перемещение загрязняющих веществ

1.8.4 Рассредоточение в пространстве и во времени

1.9 Охрана поверхностных вод

1.10 Выводы

Глава 2 Почвенно-климатические особенности и проблемы загрязнения в Орловском регионе

2.1 Характеристика водного бассейна Орловской области 44 2.1.1 Географические особенности бассейна Оки

2.2 Географическое положение и климат Орловской области

2.3 Анализ и обработка данных по осадкам на территории Орловской области

2.4 Структура водного бассейна Орловской области по химическому 61 составу поверхностных вод

2.5Анализ сброса сточных вод и забора вод промышленными 65 предприятиями Орловской области

2.6 Анализ загрязнения водного бассейна Орловской области в • 68 результате хозяйственной деятельности

2.7 Характеристика почвенного покрова Орловской области

2.8 Пункты контроля качества поверхностных вод в Орловской области 75 (на примере бассейна реки Ока)

2.9 Анализ программы наблюдений в пунктах контроля (на примере 80 реки Ока)

2.10 Норма погрешности и значения характеристик погрешности при 87 выполнении измерений

2.11 Выводы

Глава 3 Применение ГИС-технологий для прогнозирования качества поверхностных вод Орловского региона

3.1 Характеристика геоинформационного обеспечения России ^

3.2 Структура геоинформационного обеспечения в Орловском регионе

3.3 Качество геоинформационного обеспечения в Орловском регионе ^^

3.4 Математическое и картографическое моделирование в Орловском 106 регионе

3.5Выводы

Глава 4 Улучшение качества поверхностных вод путем борьбы с 112 рассредоточенными источниками загрязнения

4.1 Охрана вод от рассредоточенных источников загрязнения

4.2 Метод комплексной оценки состояния поверхностных вод

4.3 Проблемы загрязнения в Орловском регионе 114 4.4Анализ методов и материалов, необходимых для построения комплексной математической модели

4.5Расчет коэффициента стока

4.6 Моделирование условий на больших территориях путем экстраполяции условий на малых участках

4.7 Решение системы дифференциальных уравнений (4.2) •

4.8 Проверка модели

4.9 Выводы 131 Заключение 132 Список использованных источников 133 Приложение А. 146 Приложение Б. 147 Приложение В.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Метод прогнозирования загрязнения поверхностных вод на основе модели контроля с использованием ГИС-технологий: На примере Орловского региона»

Актуальность темы. В последнее время особое значение приобретают исследования проблем, связанных с оценкой антропогенных воздействий на окружающую среду, вызванных, прежде всего, влиянием деятельности человека, а также динамических процессов, протекающих в природе. Если изучение единой системы ноосферы, включающей человеческое сообщество как одного из ее активных элементов, постепенно приобретает вполне четкий практический смысл, то возможность сознательного влияния человека на глубинные процессы биосферы остается далеко неясной и требует решения совершенно новых фундаментальных проблем [3]. Главная из них - разработка стратегии использования огромного потенциала технической цивилизации для совершенствования отношений людей с окружающей средой [1,2]. Эта стратегия во многом должна носить характер адаптации человеческой деятельности к естественным условиям обитания и их направленному улучшению. Она требует всесторонних знаний, объединяющих естественные, общественные и технические науки.

Частным случаем указанной проблемы является ее решение для гидросферы. Оно определяет исключительно высокие требования к развитию водного хозяйства, - одного из важнейших ресурсообеспечивающих и природоохранных комплексов страны. Это хозяйство является основой для успешного функционирования предприятий с их водопроводно-канализационной системой, гидроэнергетики, водного транспорта, рыбного хозяйства, орошаемого земледелия [4].

Составной частью водного хозяйства страны являются поверхностные воды. Поверхностные воды представляют собой компонент окружающей природной среды [5]. С одной стороны, он возобновляемый, но с другой стороны, его возможности ограничены и он подвержен как количественному, так и качественному изменению под воздействием человека. Многолетние наблюдения за динамикой качества поверхностных вод обнаруживают тенденцию к увеличению их загрязненности. Ежегодно увеличивается количество створов рек с высоким уровнем загрязненности (более 10 ГТДК) и число случаев с экстремально высоким загрязнением водных объектов (свыше 100 ПДК). Проблема обеспечения населения и народнохозяйственного комплекса России водой нормативного качества с каждым годом все более обостряется. Сегодня она становится одной из главных социально-экономических проблем в осуществлении Государственной стратегии экологической безопасности страны. Поэтому необходимо создание хорошо формализованных моделей живой [6] и неживой природы, дающих основание не только для количественного анализа процессов, происходящих в ней, но и для решения практических задач. В частности, актуальной задачей для города Орла и Орловской области является создание метода контроля поверхностных вод и математического моделирования их состояния с целью прогноза возможного загрязнения и обеспечения профилактических мер.

Высокая загрязненность водных объектов нашей страны наносит большой ущерб водопользователям (свыше 6,0 трлн. руб. в год только от сосредоточенных сбросов загрязняющих веществ) [7]. Состояние водных источников и систем централизованного водоснабжения не гарантирует требуемого качества питьевой воды. Около половины населения России использует для питья воду, не соответствующую гигиеническим требованиям по различным показателям качества, а в ряде регионов качество воды достигло уровня, опасного для здоровья населения и продолжает ухудшаться. Более 70% наших рек и озер и 30% подземных вод потеряли питьевое значение; более 1 млн. человек каждый год страдают кишечными и другими заболеваниями от грязной воды в источниках.

Развитие хорошо формализованных моделей живой и неживой природы дает основание не только для количественного анализа процессов, происходящих в ней, но и для решения практических задач. В частности, практической задачей для города Орла и Орловской области является создание математической модели долгосрочного прогноза качества воды совместно с уже начатыми исследованиями состояния, контроля, прогноза воды в реке Ока.

Имеющая уже давнюю традицию тенденция математизации наук, глубокое проникновение математических моделей в содержательные исследования позволяет рассматривать необходимость математики как основу синтеза различных научных направлений [8].

На кафедре прикладной математики и информатики Орловского Государственного Технического Университета была разработана научная программа «Устойчивое развитие Орловского региона», для решения следующих фундаментальных проблем [9]:

Несмотря на определенные успехи в области теоретической экологии, многие задачи здесь остаются нерешенными и сегодня. В первую очередь все острее ощущается необходимость выработки единой концепции развития региональной экологии, позволяющей на научной основе принимать организационные решения.

Программа устойчивого развития региона с необходимостью должно учитывать возможность выживания населения в случае экологической катастрофы (природные катаклизмы или промышленные аварии). Эта программа должна ориентироваться на самые передовые, наукоемкие технологии, снижающие материало- и энергоемкость и повышающие качество производства.

За последнее время в промышленно развитых странах наблюдается тенденция неуклонного перекачивания трудовых ресурсов из сферы материального производства в информационную среду. Возникла новая экономическая категория - национальные информационные ресурсы. Информационное обеспечение экологических программ, основанных на использовании автоматизированных средств сбора, обработки и передачи данных на базе компьютерных сетей, позволит значительно расширить спектр имеющихся технологий, ускорить освоение и внедрение новых идей.

Наблюдаемые в естественных условиях связи между антропогенными факторами и реакциями на них живых объектов, во многих случаях не могут быть выражены явными количественными показателями из-за их сложнейшего взаимодействия, поэтому интересные для экологии данные могут быть получены при математическом моделировании оптимальных и экстремальных условий. Современная теория больших систем и прогресс вычислительной техники позволяют создавать имитационные модели из разрозненных компонент и подсистем, что дает возможность объединить модели из различных областей науки. Экологический мониторинг, компьютерные сети позволят наполнить эти модели достоверной динамической информацией о состоянии региона в разных аспектах его жизнедеятельности.

Исследование экологии водного бассейна - одно из основных направлений этой программы.

Целью работы является усовершенствование методов аналитического контроля и прогнозирования загрязнения поверхностных вод по динамическим данным гидрометеорологических служб, обеспечивающее повышение качества контроля и прогноза степени загрязнения из точечных и рассредоточенных источников на основе ГИС-технологий.

Основные задачи исследования:

- проведение анализа системы наблюдений точечных и рассредоточенных источников загрязнения и методов контроля загрязнения поверхностных вод для выбора метода аналитического моделирования;

- проведение сбора и анализа динамических данных, влияющих на загрязнение поверхностных вод, необходимых для построения комплексной математической модели;

-проведение анализа гидрологических характеристик, необходимых для построения комплексной математической модели;

- проведение метрологических исследований данных контроля, используемых для построения комплексной математической модели;

- создание полной системы данных и карт на базе ГИС по водным объектам Орловской области необходимых для расчета математической модели;

- создание математических и компьютерных моделей динамики загрязнения водных ресурсов Орловской области для прогноза загрязнения поверхностных вод;

- разработка метода аналитического контроля загрязнения поверхностных вод на основе полученной математической модели, включающей систему дифференциальных уравнений;

- создание информационно-аналитической системы анализа и контроля загрязнения водных ресурсов Орловской области для повышения качества контроля и прогнозирования степени загрязнения;

- разработка рекомендаций по мониторингу загрязнения водных ресурсов Орловской области.

Методы и средства исследования. При выполнении работы используется метод системного анализа, метод аналитического математического моделирования на основе балансового подхода, метод математической индукции, численные методы, методы теории вероятностей и математической статистики, в том числе аппарат дифференциальных и алгебраических уравнений с применением традиционных способов их решения. Разработанные алгоритмы, компьютерная программа и созданная база данных реализованы средствами ППП EXCEL 7.0 и ГИС-технологий.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- разработан алгоритм аналитического контроля и прогнозирования качества поверхностных вод, основанный на современных методах математического моделирования и средствах информатики;

- разработан метод прогнозирования качества поверхностных вод на основе моделей контроля их состояния, включающий действующую нормативную базу и учитывающий реальные возможности органов контроля в области водопользования и водоохраны, построенный на балансовом подходе;

- разработана комплексная математическая модель качества поверхностных вод, учитывающая загрязнения точечных и рассредоточенных источников, основанная на системе дифференциальных уравнений.

Практическую ценность составляют:

- разработанная комплексная математическая модель динсму:1 t распределения загрязнения по стоку реки в заданных пунктах при штатных п нештатных ситуациях;

- созданная система данных и карт на базе ГИС, включающая гидрологические, количественные и качественные характеристики водных объектов Орловской области исходя из информации, полученной от Орловской центральной гидрометеорологической службы и комитета по природным ресурсам;

- компьютерная программа, реализующая предложенный метод прогнозирования качества поверхностных вод;

На защиту выносятся:

- алгоритм аналитического контроля и прогнозирования качества поверхностных вод, основанный на современных методах математического моделирования и средствах информатики;

- метод аналитического прогнозирования качества поверхностных вод Орловского региона на основе модели контроля за состоянием указанных вод;

- комплексная математическая модель контроля и прогнозирования качества поверхностных вод (на примере реки Оки);

- компьютерная программа, реализующая предложенную математическую модель.

Реализация и внедрение результатов исследования. Результаты теоретических и экспериментальных исследований, выполненных в диссертационной работе, подтверждены внедрением разработанного метода в процесс контроля состояния среды в территориальном центре государственного мониторинга геологической среды и водных объектов орловской области («Орелгеомониторинг») введением его в процесс изучения и использования на 2-х кафедрах ОрелГТУ: прикладной математики и информатики - в программе курса «Программирование и расчеты на ЭВМ» и информационные системы - в дипломном проектировании. Данная работа проводится в рамках исследований при поддержке РФФИ по проекту р2003цчра: «Разработка мето; л прогнозирования качества поверхностных вод Орловского региона».

Апробация работы. Результаты диссертационной работы обсуждены и получили положительную оценку на 5 научных конференциях: международной научной конференции «Управление качеством жизни, образования, продукции и окружающей среды в регионах России» 17-20 апреля, Орел, 2001г.; «Природные ресурсы-основа экономической стратегии Орловской области» ОРАГС, Орел, 2002г.; Всероссийской научно-практической конференции «Окружающая среда и здоровье», Пенза, 2004г.; IV Всероссийской научно-практической конференции «Окружающая среда и экологическое образование и воспитание» 19-20 февраля, Пенза, 2004г, Всероссийской научной конференции «Методы прикладной математики и компьютерной обработки данных в технике, экономике, экологии», 15-17 ноября, ОрелГТУ, Орел, 2004г.

Публикации. По содержанию и результатам диссертационной работы опубликовано 8 печатных работ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 158 страницах машинописного текста, содержит 14 рисунков, 21 таблицы. Она состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемых литературных источников, включающего 160 наименования работ отечественных и зарубежных авторов, а также 3 приложения.

Заключение диссертации по теме «Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий», Плетнев, Андрей Леонидович

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1 Анализ методов и средств измерений качества йоверхностных вод, существующих в настоящее время, показал, что высокоточные методы и средства измерения практически не используются из-за высокой стоимости оборудования и необходимости для обслуживания последнего высококвалифицированного персонала. Поэтому разработка, прогнозирование и контроль ориентируются, в основном, на фотометрические и титриметрические методы.

2 Анализ подходов к определению концентрации загрязняющих веществ находящихся в природной среде, показал необходимость совершенствования методов контроля и прогнозирования сложных, многокомпонентных, быстроразвивающихся систем, с учетом различных действующих факторов и определяющих их элементов, к которым относятся поверхностные воды.

3 В работе обосновано применение математического моделирования, как наиболее целесообразного для алгоритма аналитического контроля и прогнозирования динамики загрязнения качества поверхностных вод и поступления загрязняющих веществ от точечных и рассредоточенных источников.

4 Построение модели базируется на минимально-возможном количестве исходной информации. Эта информация соответствует данным, получаемым на Орловской ЦГМС. На основе этой информации созданы базы: нормативно-справочной информации, статистической отчетности, по источникам загрязнения, установлены взаимосвязи между изменениями экологических, экономических и технологических факторов.

5 Разработанный метод позволяет контролировать и прогнозировать степень загрязнения поверхностных вод и время добегания загрязнения в заданном пункте при штатных и нештатных ситуациях от точечных и рассредоточенных источников.

Заключение

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Плетнев, Андрей Леонидович, 2005 год

1. Государственный контроль за использованием и охраной водных ббъектов//ЭкосИнформ.-1997.-№2.-с. 11-21.

2. Государственный мониторинг водных объектов.//ЭкосИнформ.-1997.№8.-с.81-87

3. Моисеев Н.Н. Экология человечества глазами математика.

4. Водное хозяйство и экологическая безопасность.//ЭкосИнформ.-1997.-№5.-с.42-45

5. Положение о государственном комитете по охране окружающей среды.//ЭкосИнформ.-1997.-№6.-с.5-15

6. Водный кодекс Российской Федерации.//ЭкосИнформ.-1996.-№1-2.-с.36-128

7. Коэффициенты экологической ситуации и экологической значимости состояния водных объектов по бассейнам рек. //Собрание постановлений правительства, 1991,№9- 263с.

8. Моиссеев Н.Н. Алгоритмы развития.-М.:Наука,1987-302с.

9. Казанцев Э.Ф. Технологии исследования биосистем.-М.: Машиностроение, 1999,177с.

10. Резников А.А., Муликовская Е.П. Методы анализа природных вод.-М.:Госгеолтехиздат, 1954-236с.

11. Беспамятнов Г.П.,Кротов Ю.А. Предельно-допустимые концентрации химических веществ в окружающей среде. Справочник. -Л.: Химия, 1985-528с.

12. Чеботарев А.И. Гидрологический словарь, Л.: Гидрометеоиздат, 1964, с.222

13. Охрана окружающей среды:Справочное пособие.-М.:Изд-во Стандартов, 1991 -127с.

14. Трофимов Г.А., Счастливцев Д.Ф. Концепция современного естествознания: Словарь терминов и определений. -С.П.: С.П. Университет Экономики и финансов, 1997.-126с.

15. Крапивин В.Ф. Проблемы мониторинга. М.: Знание, 1991-62с.

16. Игнатович Н.И. Нормативное обеспечение природопользования. Аналитический обзор.-М.:Наука, 1993-23с.

17. Временные методические указания по организации и проведению на сети Гидрометслужбы систематических исследований процессов загрязнения и самоочищения водоемов и водотоков/Сост. В.Т. Каплин.- Чита: отпечатан на множит, аппарате, 1970,-75с.

18. Усовершенствованные методические рекомендации по оперативному прогнозированию распространения зон опасного аварийного загрязнения в водотоках и водоемах, а также уровней содержания в воде основных загрязняющих веществ.С.-П.:Гидрометеоиздат, 1992,-45с.

19. Алексеев В.В, Фомин С.А. Мониторинг и методы контроля окружающей среды.М.:МНЭПУ, 1998-77с.

20. Вопросы контроля загрязнения природной среды. Сб. статей//Институт прикладной геофизики. Под ред. Иохельсон БС.Б., Колоскова И.А.

21. JI. :Гидрометеоиздат, 1981-194с.

22. Вельнер Х.А. Прогнозирование качества воды водоемов в хозяйственных исследованиях. Автореф. дисс. На соискание учен, степени канд. Хим. наук.-Таллин, 1968-32с.

23. Географическое прогнозирование и охрана природы. Сб. статей под ред. Звонкова Т.В., Касимова Н.С.-М.:Изд-во МГУ, 1990-174с.

24. Фриндлянд С.А. Санитарная охрана водоемов от загрязнений промышленными сточными водами.-М.:Медгиз,1960.-227с.

25. Минх А.А. Справочник по санитарно-гигиеническим исследованиям. М.:Медицина, 1973.-400с.26.