Разработка структурной схемы экологического мониторинга водных объектов на основе модульного принципа

РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ НА ОСНОВЕ МОДУЛЬНОГО ПРИНЦИПА

DEVELOPMENT OF STRUCTURAL PATTERNS OF ECOLOGICAL MONITORING OF WATER BODIES BASED MODULAR

PRINCIPLE

И.М. Маркова I. M. Markova

МГСУ

Организация системы экологического мониторинга водных объектов на основе модульного принципа позволит оперативно и эффективно адаптировать систему к анализу различных реальных и прогнозируемых ситуаций, в том числе связанных с возникновением кризисных экологических ситуаций.

This article contains information about organization of environmental monitoring of water objects based on the modular principle. Modular principle will enable quickly and efficiently adapt the system to the analysis of various real and predictable situations, including those associated with the occurrence of crisis ecological situations.

Разработка типовой системы экологического мониторинга водных объектов, ее состав, параметры, программное обеспечение должны соответствовать принципу совместимости с другими структурами, осуществляющими необходимые действия в системе экологического мониторинга в соответствии с «Положением о государственном мониторинге водных объектов в РФ». Функционирование отдельных модулей такой системы в научно-методическом отношении может быть обеспечено на основе использования имеющихся научных результатов и достижений (гидрологических, гидравлических, гидрохимических).

Модульный принцип организации системы мониторинга водных объектов позволяет оперативное и эффективное приспособление системы к анализу различных реальных и прогнозируемых ситуаций, в том числе связанных с возникновением кризисных экологических ситуаций.

Структурная схема экологического мониторинга водных объектов.

1. Модуль морфометрических данных.

2. Модуль гидрологических данных.

3. Модуль интегрирования уравнений стационарного и нестационарного движения.

4. Модуль нестационарных русловых режимов.

5. Модуль седиментационных характеристик русловых грунтов.

6. Модуль локальных гидравлических характеристик.

7. Модуль прогнозирования русловых деформаций.

8. Модуль контроля качества атмосферных осадков и их загрязненности.

9. Модуль контроля качества воды на рассматриваемых участках водотока.

10. Модуль расчета разбавления сильно загрязненных сбросов.

11. Модуль грунтовой приточности и контроля грунтовых вод.

12. Модуль контроля техногенной ситуации на водосборной территории.

13. Модуль учета динамического и гидрохимического воздействия судоходства на речное русло и качество воды.

14. Модуль выдачи конечных результатов и оптимизации организационных и инженерных решений.

1. Модуль морфометрических данных

Модуль морфометрических данных содержит информацию о геометрических параметрах выбранных контрольных створов на водотоке, а также устьевых участков малых рек, крупных и средних водовыпусков. Данные по каждому створу содержатся в файлах данных, обновляемых в процессе контрольных примеров, а также при прогнозируемом изменении глубин в результате процессов заиления (модуль 7) или размыва (модуль 4). Файлы данных организовываются по типу файлов последовательного доступа. В файлах морфометрических данных контрольных створов накапливается также информация о локальных гидравлических характеристиках на участках между этими сечениями водотока. Данные используются при функционировании модулей 3 и 4.

2. Модуль гидрологических данных

В модуле гидрологических данных в качестве исходной информации представлены характеристики водного стока в паводковые и меженные периоды, данные о пропускной способности мостовых отверстий, водосбросов гидроузлов, а также данные по расходам малых рек и основных водовыпусков. Данные вводятся оперативно, непосредственно с мест контроля (оптимальным представляется автоматический ввод данных через равные промежутки времени). Гидрографы задаются файлами данных и корректируются на основании данных по натурным замерам на устьевых участках притоков и на водовыпусках. Исходная информация модуля 2 используется в модуле 3 при интегрировании уравнений движения. Данные результатов расчетов средних глубин, скоростей и локальных коэффициентов шероховатости на расчетных участках между контрольными сечениями, полученные в модуле 4 также накапливаются в модуле 2 в виде массивов. Кроме того, данная информация уточняется путем оперативного сопоставления результатов расчетов средних глубин с натурными замерами в нескольких контрольных пунктах. При этом разность вычисляемых средних глубин в сечениях и натурных, оперативно замеренных в данные промежутки времени, позволит внести корректирующие коэффициенты для использования в модуле 3 и повысить точность прогноза в модулях 6, 7 и 9.

3.Модуль интегрирования уравнений стационарного и нестационарного движения

Модуль интегрирования уравнений нестационарного движения - это один из основных расчетных блоков структурной схемы, позволяющий формировать информацию по гидрологии на расчетных участках между контрольными створами. В модуле могут быть задействованы разработанные программы интегрирования уравнений Рей-нольдса и Сен-Венана с учетом присоединения расходов в фиксированных створах. На их основе может быть составлена оригинальная программа, позволяющая решать как прямую задачу по определению глубин и средних скоростей при заданных расходах, режимах работы гидроузлов с учетом гидрографов малых рек, так и обратную, по определению оптимальных режимов сброса в гидроузлах водных масс для обеспечения размываемых скоростей на участках водотока с целью исключения их заиливания и

улучшения качества воды. Кроме того, программа интегрирования уравнений движения должна содержать поправочные коэффициенты и последовательность действий, позволяющую оперативно вносить поправки в ход вычисления на основании учета расхождения результатов расчетов и замеров глубин в контрольных точках в заданные моменты времени.

Оптимально в модуле 3 иметь две программы, одна из которых поддерживает функционирование модуля 2, а другая - модуля 4. Оперативность коррекции достигается непосредственным опросом данных (по глубинам) на автоматизированных гидропостах. При этом необходимо увязать на программном уровне готовые, стандартные программные средства по решению дифференциальных уравнений неустановившегося движения и массообмена со специализированным программным обеспечением модулей 1, 2 и 4.

4. Модуль нестационарных русловых режимов

Программное обеспечение данного модуля с точки зрения алгоритма должно обеспечивать совместное интегрирование уравнений движения и баланса наносов для различных начальных и граничных условий. При рассмотрении вопросов осадконако-пления и размывов русла в качестве исходных задаются придонные скорости потока на участке промывки, равные (большие) размывающим скоростям для заданной фракции отложений. На основе полученной исходной информации создается база данных по участкам водотока, коррекция которой производится на основании исходных данных и результатов расчетов в модуле седиментационных характеристик (модуль 5) и седиментационного прогнозирования (модуль 7) по итерационному циклу (реализация метода последовательных приближений). Как и в случае модуля 2, все основные расчеты реализуются в модуле интегрирования дифференциальных уравнений - модуль 3. В случае использования регулирующих гидроузлов результатами расчетов является выработка оптимальной совместной работы гидроузлов по сбросу необходимого количества воды в заданные интервалы времени для обеспечения промывки русла от загрязненных донных отложений. Данные по расходным характеристикам гидроузлов накапливаются в качестве промежуточной информации в модуле 4 в соответствующих базах данных, а также передаются по необходимости в модуль выдачи конкретных результатов (модуль 14) для указания возможных оптимальных решений.

5. Модуль седиментационных характеристик русловых грунтов

Модуль седиментационных характеристик русловых грунтов функционирует в качестве накопителя информации по механическому составу и свойствам русловых грунтов, количеству и фракционному составу загрязнения - взвешенных веществ, поступающих в водоток через притоки и основные водовыпуски (их устьевые участки). Модуль 5 представлен базой данных по составу наносов для вышеперечисленных источников. Данные корректируются на основании гидрохимических анализов речной воды. Временная зависимость поступления взвешенных веществ по остальным источникам (притоки и основные водовыпуски) задается массивами данных, полученных по результатам замеров седиментационных характеристик в последние 2-3 года. В модуле необходимо заложить возможность выбора различных моделей расчета гидравлической крупности (скорости осаждения с учетом техногенного и антропогенного осаждения взвесей, влияющего на плотность и форму частиц взвеси.

6. Модуль локальных гидравлических характеристик

В данном модуле программно реализуется модель расчета локальных скоростей и некоторых других параметров для различных точек заданных поперечных сечений потока.

Исходные данные для данного модуля выбираются из базы морфометрических данных контрольных поперечных сечений, а также из массивов промежуточной информации модулей 1, 2 или 4.

Реализуемый в данном случае алгоритм М.А. Великанова по определению средних локальных скоростей на 10-15 вертикалях поперечного сечения потока, предусматривает также определение локальной динамической скорости. При сравнении последней с гидравлической крупностью влекомых наносов определяется граница зон седиментации на контрольных участках. Данные по локальным средним и динамическим скоростям для выбранных сечений, а также зон седиментации на расчетных участках водотока накапливаются в базах данных модуля для дальнейшего их использования в модуле седиментационного прогнозирования.

7. Модуль прогнозирования русловых деформаций

В модуле прогнозирования русловых деформаций используются данные, полученные в модулях 4 и 6. В этом модуле производится накопление информации по площадям и мощностям русловых отложений на расчетных участках между конкретными контрольными створами. Массивы данных периодически обновляются путем внесения информации по результатам текущим расчетов, производимых в модулях 2 и 4. При сравнении последних версий результатов с конкретными граничными условиями, задаваемыми заранее (по предельно-допустимой заиленности на участках между контрольными створами) обосновывается необходимость проведения технических мероприятий по обеспечению этих условий. В этом случае информация о результатах текущих расчетов передается в модуль 11 для выработки оптимальных инженерных решений. Для функционирования данного блока до стадии разработки конкретной прикладной программы необходимо сформализировать набор дифференциальных уравнений диффузионного переноса неконсервативных взвесей, а также согласовать граничные условия для их решений по каждому участку водотока. Необходимо также предусмотреть возможность оперативного изменения граничных условий при необходимости внесений корректировок по очертанию фарватера водотока, который может изменяться для обеспечения судоходства. В процессе функционирования модуль 7 использует исходную первичную информацию модулей 1, 5, а также промежуточную информацию модулей 2, 4 и 6. Информация, получаемая в модуле 7, наиболее весомо влияет на решения, вырабатываемые в модуле 14. Поэтому промежуточную информацию, вырабатываемую в данном модуле, удобней всего формализовать в виде отдельных баз данных. Увязка взаимодействия программных средств и систем в рамках одного модуля потребует наработки необходимого количества макросов, управляемых как из модуля 7, так и из модуля 14.

8. Модуль контроля качества атмосферных осадков и их загрязненности

Поверхностная составляющая водного стока, поступающего в водные объекты,

формируется за счет атмосферных осадков в виде дождевых и талых вод. В связи с прогрессирующим загрязнением воздушного бассейна газо-пылевыми выбросами от промышленных предприятий и автотранспорта, ветровой эрозией пахотных земель вместе с атмосферными осадками в водные объекты поступает значительное количество загрязняющих и токсичных веществ, которые должны определяться и учитываться при экологическом мониторинге водных объектов. В связи с этим в структурной схеме мониторинга должен быть создан модуль текущего контроля количества атмосферных осадков и их загрязненности.

На первых этапах работы системы мониторинга водных объектов исходной информацией для функционирования этого модуля являются данные наблюдательной

сети Роскомгидромета и служб экомоииториига, которые по мере развития системы мониторинга водных объектов могут быть заполнены данными спутниковых наблюдений и специальных контрольных пунктов для определения загрязненности дождевых осадков, снега и ливневого стока в особенности на урбанизированных территориях, где с этой составляющей водного стока в водные объекты поступает основная доля загрязняющих веществ техногенного и антропогенного происхождения. Создаваемая в рамках данного модуля и оперативно обновляемая информация используется при прогнозных расчетах в рамках системы мониторинга водных объектов с использованием ГИС-технологий.

9. Модуль контроля качества воды на рассматриваемых участках водотока

Принципиально функционирование данного модуля мало, чем отличается от модуля 5. Отличие заключается лишь в необходимости использовать данные гидрохимических и седиментационных анализов по всем крупным выпускам и притокам в их устьях. Данная информация набирается и хранится в оперативно обновляемых файлах, согласно результатам анализов контрольных постов на водотоке, а также данных по ПДС для крупных водовыпусков. Данные, накапливаемые в модуле 9, используются в модуле 10.

10. Модуль расчета разбавления сильно загрязненных сбросов

Модуль расчета разбавления сильно загрязненных сбросов в речном потоке рассчитывает концентрации загрязнений, поступающих в водный поток в каждом из 30 -40 контрольных створах. В связи с тем, что на текущий момент времени существует целый ряд методик расчета такого разбавления, перед разработкой программного обеспечения необходимо из данных методик выбрать наиболее надежную.

Кроме того, целесообразней всего включить в программное обеспечение модуля 10 реализацию наиболее сертифицированных методик расчета и предусмотреть возможность их выбора в процессе функционирования системы. Это позволит оперативно, не изменяя структуру и оболочку программы, настраиваться под изменяющиеся условия, выдвигаемые нормативными документами. Информация по количеству и качеству загрязнений, поступающих в поток, выбирается из файлов данных модулей 5, 8 и 11, а морфометрическая характеристика источников загрязнений (их дислокация и тип выпусков) - из файлов данных модуля 1. Данные, получаемые в результате расчетов, накапливаются в файлах информации по концентрации загрязнений в расчетных створах. Как и в случае выбора формы предоставления данных расчетов модуля 7, рекомендуется информацию, получаемую в модуле 10, представлять в виде баз данных по соответствующим створам.

11. Модуль грунтовой приточности и контроля грунтовых вод

В связи с тем, что грунтовое питание водных объектов составляет значительную долю водного стока, в системе мониторинга водных объектов необходим количественный и качественный контроль грунтовых вод на водосборной территории водотока. С этой целью должна быть создана сеть наблюдательных скважин, расположение которых должно быть выбрано с учетом общей гидрогеологической ситуации в речном бассейне таким образом, чтобы имелась возможность определять грунтовую составляющую водного баланса во временном разрезе и автоматически контролировать показатели загрязненности грунтовых вод с помощью автоматических станций слежения за качеством грунтовых вод, размещенных в наблюдательных скважинах.

Показатели уровней воды в системе скважин и качественные характеристики грунтовых вод по каналам связи автоматически передаются в локальную компьютерную сеть мониторинга водного объекта.

Грунтовая составляющая прнточностн должна определяться на основе пространственной модели фильтрационных потоков, которая должна составлять основу расчет-но-аналитическую основу данного модуля. Расчетные алгоритмы пространственной модели фильтрации определяются процедурой численного интегрирования уравнения Лапласа с граничными условиями, которые определяются геологическим строением бассейна водного объекта.

12. Модуль контроля техногенной ситуации на водосборной территории

Постоянный оперативный контроль предприятий-водопользователей, расположенных на водосборной территории является необходимым составным элементом мониторинга водных объектов. Сведения о водопотреблении и в особенности о водоот-ведении сточных вод с учетом количественных, временных и качественных показателей должны быть доступны в оперативном, в перспективе - в автоматическом режиме, поскольку характеризуют основные риски возникновения кризисных экологических ситуаций на предприятиях, локальных отстойных сооружениях и связанных с ними малых, средних и крупных водных объектов.

Оперативное, желательно немедленное, поступление информации позволит, с использованием всех возможностей системы гидромониторинга, локализовать границы распространения зоны чрезвычайной ситуации, определить и реализовать комплекс мер по ликвидации негативных последствий, связанных с чрезвычайной ситуацией, оценить последствия и размеры нанесенного ущерба, а также объемы и стоимость ли-квидационно-восстановительных работ. Эффективность работы данного модуля и всей системы мониторинга водного объекта при возникновении критических экологических ситуаций техногенной природы будет напрямую зависеть от средств автоматического контроля и передачи данных в локальную компьютерную сеть, создание и развитие которых является приоритетным в процессе создания и развития эффективной системы экологического мониторинга водных объектов.

13. Модуль учета динамического и гидрохимического воздействия судоходства

на речное русло и качество воды

В данном модуле в качестве исходной задается информация по судоходству, оказывающему периодическое воздействие на динамику и гидрохимию речного потока. В блоке в виде файлов данных задаются основные характеристики данных плавсредств (технические данные, состав и производительность по загрязняющим веществам, а также способам их обработки непосредственно на специально оборудованных судах).

Кроме того, в рамках данного модуля, необходимо разработать модель возможной дислокации на участках водотока различных видов плавсредств с учетом правил судовождения и нахождения на фарватере для выбора расчетного (наиболее невыгодного) случая комбинации судов между контрольными сечениями с точки зрения динамичных воздействий на поток и русло, а также по аварийным сбросам загрязнений на расчетных участках водотока.

Эти данные, а также информация по плавсредствам передается в модуль 14 для последующего использования.

Необходимо предусмотреть возможность пересмотра и обновления информации по типам судов и режиму судоходства для внесения информации о новых судах и других движущихся по водотоку объектах.

14. Модуль выдачи конечных результатов и оптимизации организационных

и инженерных решений

В данном модуле происходит конечная обработка поступающей информации для окончательного представления результатов работы всех модулей (работы системы мо-

ниторинга в целом) и на стадии получения решений предлагается, в зависимости от полученных результатов, набор типовых (для данного случая) рекомендаций по реагированию. Наиболее удобная для данного модуля среда функционирования - оболочка базы данных. В модуле необходимо иметь:

- набор стандартных решений инженерного и административного характера в зависимости от уровня информации, поступающей от других модулей системы;

- блок-программу экономического сравнения возможных вариантов принимаемых решений;

- блок-программу определения экологического ущерба от неприятия или неправильного принятия решений;

- подпрограмму и макросы по управлению из данного модуля отдельными элементами других модулей системы.

Кроме того, в данном модуле желательно иметь отдельную подпрограмму-команду по опросу всех оперативных постов контроля, находящихся в системе мониторинга.

Экологический мониторинг водных объектов, организованный в соответствии с разработанной структурной схемой на основе модульного принципа дает возможность осуществлять прогнозирование кризисных экологических ситуаций с использованием информации, полученной при осуществлении контроля водного объекта, ГИС-технологий и современных методов расчета.

Предлагаемая структурная схема экологического мониторинга разработана при выполнении 2 этапа НИР по проблеме «Совершенствование технологии мониторинга и прогнозирования массообменных процессов для улучшения экологии водных объектов» по направлению «Мониторинг и прогнозирование состояния атмосферы и гидросферы» в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы» в соответствии с мероприятием 1.2.2 «Проведение научных исследований научными группами под руководством кандидатов наук».

Литература:

1. Арефьева, О.Д.Мониторинг водных объектов/ О.Д.Арефьева //«Химия в школе», 2001, с.8-13.

2. Маркова И.М, Бажина Е.В. Очистка русел малых рек г. Москвы от загрязненных донных отложений // Проекты развития инфраструктуры города. Вып. 4. Комплексные программы и инженерные решения в области экологии городской среды. Сборник научных трудов.-Москва: Изд-во Прима-Пресс-М, 2004, С 170-174.

3. Маркова И.М. Геоэкология и очистка загрязненных речных русел //Строительство -формирование среды жизнедеятельности: Материалы второй международной (VII традиционной) научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и докторантов. Секция 2. Окружающая среда и системы жизнеобеспечения - Москва: Изд-во МГСУ, 2004.

4. Маркова И.М., Бажина Е.В. Гидроморфометрические характеристики малых водотоков на территории г. Москвы // Проекты развития инфраструктуры города. Вып. 4. Комплексные программы и инженерные решения в области экологии городской среды. Сборник научных трудов.- Москва: Изд-во Прима-Пресс-М, 2004, С 167-169.

5. Маркова И.М., Боровков B.C. Характеристики русловых отложений и геоэкология водотоков на урбанизированной территории // Строительство - формирование среды жизнедеятельности: Материалы третьей международной (VIII традиционной) научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и докторантов. Секция 2. Окружающая среда и системы жизнеобеспечения. - Москва: Изд-во МГСУ, 2005.

6. Маркова И.М. Внутрирусловые геоэкологические процессы в водотоках на урбанизированных территориях. Дисс. на соиск. уч. ст. к.т.н. МГСУ, 2005.

7. Боровков B.C., Маркова И.М., Емельянов М.В. Мониторинг загрязненных речных русел на урбанизированных территориях при разработке программы улучшения их экологического состояния// Строительство - формирование среды жизнедеятельности: Материалы Двенадцатой Международной межвузовской научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и докторантов. Секция 2. Экология и рациональное природопользование. Проблемы эксплуатации и реконструкции объектов. Объекты водохозяйственного, энергетического и природоохранного строительства. - Москва: Изд-во МГСУ, 2009.

8. Маркова И.М. Разработка программы улучшения экологического состояния речных русел на урбанизированных территориях.// Строительство - формирование среды жизнедеятельности: Материалы Тринадцатой международной межвузовской научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и докторантов. Секция 2. Экология и рациональное природопользование. Проблемы эксплуатации и реконструкции объектов. Объекты водохозяйственного, энергетического и природоохранного строительства. - Москва: Изд-во МГСУ, 2010.

Ключевые слова: экологический мониторинг водных объектов, урбанизированная территория, охрана окружающей среды, качество воды

Keywords: ecological monitoring of water objects, urbanized areas, environmental protection, water quality.

129337, Москва, Ярославское шоссе, 26, ГОУВПОМГСУ НИУ кафедра ИВЭ;

тел.: +7(903)589 5758, e-mail:markova@mgsu.ru

Статья представлена Редакционным советом «Вестник МГСУ»