Отчет лаборатории математических проблем экологии и природопользования за 2004 год о выполнении темы плана НИР3.5. " Разработка и а

Введение
Комплексная оценка качества воды рек Оби и Иртыша на территории Ханты-Мансийского автономного округа соответствует категории "очень грязная"[1].Среднегодовые концентрации загрязняющих веществ (нефтепродукты, фенол, медь, цинк, марганец и др.) реки Оби и ее притоков (Вах, Больщой Юган, Назым, Иртыш с притоком Конда) устойчиво превышают ПДК для рыбохозяйственных водоемов с фиксацией случаев экстремально высоких загрязнений [2].

Введение
Экологическое неблагополучие указанных водных объектов объективно связано как с трансграничным переносом сильно загрязненных вод Средней Оби и Иртыша, так и высокой многолетней техногенной нагрузкой при сбросах коммунальных и промышленных вод, при аварийных разливах нефти. На территории водосборного бассейна Нижней Оби, включая территорию ХМАО, отсутствует современная автоматизированная система управления использованием и качеством водных ресурсов.

Введение
Для принятия оптимальных управленческих решений по рациональному водопользованию и улучшению качества водных ресурсов необходимо разработать и внедрить информационно-моделирующую систему (ИМС), включающую в себя моделирующий комплекс гидродинамики и качества поверхностных вод и подсистему сбора, передачи и обработки данных экологического и гидрометеорологического мониторинга.

Основные результаты работ по теме НИР
1.Адаптация и подготовка
к практическим применениям
базового моделирующего комплекса
(БМК) гидродинамики и качества вод

1.1.Базовый моделирующий комплекс (БМК) гидродинамики и качества воды
Ядром БМК является экосистемная нестационарная нелинейная численная модель, описывающая с высоким пространственно-временным разрешением гидрофизические, химические и биологические характеристики качества вод речных систем, водохранилищ, проточных озер и эстуариев и комбинаций из указанного [3].
Гидродинамический блок модели позволяет вести расчет (на период до 1 года с временными шагами порядка 10 мин) уровней поверхности воды, продольной и вертикальной составляющих скорости течения, поля температуры (с разрешением по вертикали от 0.1м, вдоль водотока-100 и более метров) для водных объектов с горизонтальными размерами в диапазоне 101-103 км.
Модель описывает образование, нарастание и разрушение ледового покрова.
Модель позволяет учитывать реальную динамику метеорологических параметров ( ветер, температура и влажность воздуха, балл облачности, солнечное излучение), а также характеристики ветрового и светового затенения от топографии и растительности береговой зоны.
Модель рассчитывает характеристики турбулентности и гидрооптические переменные водного тела.

Характеристики качества воды, описываемые моделью, включают в себя:
любое число характерных компонентов для которых известны скорость распада 0-го и/или 1-го порядка, и/или скорость осаждения, и/или множитель зависимости от температуры( в том числе: консервативные трасеры, бактерии кишечной палочки, загрязняющие вещества);
любое число групп неорганических взвешанных веществ и УБПК-групп;
нитраты-нитриты, аммоний, биодоступный фосфор и кремний (биогены);
лабильные и устойчивые, растворенные и корпускулярные органические вещества;
общий неорганический углерод, щелочность, общее железо;
растворенный кислород и процессы реаэрации;
любое число групп фитопланктона и эпифитона. На базе перечисленных выше переменных основного состояния качества воды могут быть рассчитаны дополнительно более 60 производных переменных, включая pH, углеродный цикл ( CO2, HCO3,H2CO3) и седиментные органические вещества.
1.1.Базовый моделирующий комплекс (БМК) гидродинамики и качества воды

Модель может быть применена к любому числу рек, водохранилищ, озер и эстуариев, последовательно соединенных между собой. В модели учитываются боковая приточность скорости, температуры и характеристик качества воды, техногенные нагрузки от точечных и рассредоточенных источников (сбросов) загрязняющих веществ.
Модель описывает процессы на границе раздела вода-седименты и фильтрационный приток/ отток подземных вод.
Модель обеспечивает имитационное воспроизведение функционирования сложных инженерных гидротехнических сооружений: различные типы плотин и дамб, шлюзы, водозаборные станции и водоводы.
1.1.Базовый моделирующий комплекс (БМК) гидродинамики и качества воды

Примеры применения базовой модели гидродинамики и качества воды
Основные этапы применения модели:
определение объекта , целей и задач моделирования,
подготовка баз данных для моделирования (геометрические данные, начальные и граничные условия, гидравлические и кинетические параметры),
калибровка и верификация модели,
анализ и оценка результатов моделирования.

Основные уравнения модели: гидродинамика

Модель динамики фосфора

Модель динамики фитопланктона

Модель растворенного кислорода

Работа лаборатории по применению модели гидродинамики и качества воды
Проведена интенсивная образовательная подготовка потенциальных пользователей БМК для сотрудников ЮНИИИТ, НПЦ" Мониторинг", Окружного Гидрометцентра и Югорского госуниверситета. Осуществлен перевод «Руководства пользователя» с английского на русский язык (объем 615 стр.), разработан курс лекции и проводятся практические занятия по дисциплине " Моделирование водных экосистем" для студентов факультета природопользования ЮГУ;

создана база данных результатов гидрологических наблюдений на р. Северная Сосьва ( участок реки от г/п Сосьва до г/п Сартынья) и метеорологических наблюдений на м/c Сосьва за 2003год;
Работа лаборатории по применению модели гидродинамики и качества воды

проведены пробные численные эксперименты с гидродинамическим модулем БМК по расчету гидрологических характеристик( уровни, скорости течения, температура) на указанном участке р.С.Сосьва при реальном метеорологическом форсинге и упрощенной аппроксимации руслового канала.
Работа лаборатории по применению модели гидродинамики и качества воды

2. Результаты применения базового моделирующего комплекса для расчета гидрологического и термического режимов р. С.Cосьва.
1.Геометрические данные. На первом этапе расчетов задавался упрощенный вариант геометрических данных: число продольных сегментов-18, их ориентация в плане-фактическая, длины сегментов от 2.7км до 4.7км, при общей длине участка реки 65300м; слоев по вертикали-61(глубина реки на г/п Сосьва-10.8м); ширины слоев заданы из фактического профиля поперечного сечения руслового канала в районе г/п Сосьва.

2. Результаты применения базового моделирующего комплекса для расчета гидрологического и термического режимов р. С.Cосьва.
2. Начальные и граничные условия заданы по данным метеорологических (каждые 3 часа) и гидрологических (2 раза в сутки) наблюдений на м/c и г/п Сосьва и г/п Сартынья с 07.07 по 12.07.2003г.
3. Гидравлические параметры (коэффициенты придонного трения Шези, коэффициенты ослабления света и др.) заданы средними величинами из рекомендуемых диапазонов наблюдаемых параметров для субполярных рек.

2. Результаты применения базового моделирующего комплекса для расчета гидрологического и термического режимов р. С.Cосьва.
Детальное сравнение результатов расчетов с данными гидрологических наблюдений показывают способность БМК воспроизводить качественно и количественно правильно тонкую структуру реальных полей скорости (в том числе формирование придонного пограничного слоя, уменьшение скоростей течения от входного створа к выходному).

Модель правильно описывает формирование фиксируемого наблюдениями дневного прогрева (рис.1) и ночного выхолаживания верхних слоев реки в малооблачные периоды. При этом фиксируется незначительное превышение (на 0.1-0.30С) расчетной температуры над наблюдаемой.
2. Результаты применения базового моделирующего комплекса для расчета гидрологического и термического режимов р. С.Cосьва.

2. Результаты применения базового моделирующего комплекса для расчета гидрологического и термического режимов р. С.Cосьва.
Рис. 1 Рассчитанное поле температуры на участке реки С. Сосьва в момент максимального суточного прогрева 8 июля 2003г.

Среди вероятных сценариев будущего промышленного освоения, уникальной по запасам полезных ископаемых, территории Приполярного Урала, реальным представляется вариант, связанный с проектированием и строительством здесь различных типов гидротехнических сооружений. Ниже излагаются результаты пилотного применения БМК для моделирования гидрологического и термического режимов и экосистемных показателей качества воды виртуального водохранилища, которое может образоваться в указанном субарктическом районе, например при строительстве ГЭС. В качестве рабочей гипотезы принято, что геометрическим и технологическим аналогом виртуального водохранилища может быть реальное и хорошо изученное водохранилище Дегрэй (США, Арканзас).
3. Результаты моделирования термодинамики и характеристик качества воды виртуального водохранилища в субарктической зоне

3. Результаты моделирования термодинамики и характеристик качества воды виртуального водохранилища в субарктической зоне
данные батиметрии (длина водохранилища-30км, число продольных сегментов-30, максимальная глубина на приплотинном участке-66м, разрешение по вертикали-2м), величины расхода воды и концентрации компонентов качества воды на входном створе и в зарегулированном режиме через плотину взяты в виде копии данных из модели водохранилища Дегрэй, ( координаты: 34o c.ш, 93o з.д).

гидрологические данные о температуре воды, начальной толщине льда и метеорологические данные соответствуют данным наблюдений в пос. Сосьва за 2003г. ( координаты: 62o с.ш, 63o в.д.).
3. Результаты моделирования термодинамики и характеристик качества воды виртуального водохранилища в субарктической зоне

Расчеты с моделями проводились в идентичных форматах файлов " ввода-вывода" на период с 3 марта по 22 декабря 2003 г. для виртуального водохранилища (далее-модель ND) и на тот же период 1980г для водохранилища Дегрэй ( модель RD).
3. Результаты моделирования термодинамики и характеристик качества воды виртуального водохранилища в субарктической зоне

В моделях ND и RD рассчитывались все характеристики гидродинамики и термического режима водохранилища (в модели ND рассчитывалась динамика ледового покрова, который фактически отсутствовал в модели RD), а также 19 основных и 23 производных переменных качества воды, в том числе: фитопланктон, основные биогены: соединения фосфора, азота, углерода и кремния, растворенный кислород, общая минерализация, pH, кишечная палочка.
3. Результаты моделирования термодинамики и характеристик качества воды виртуального водохранилища в субарктической зоне

В качестве иллюстрации для сопоставительного анализа результатов расчетов по моделям RD и ND приведены поля температуры воды на рис.2 (ND) и поля концентрации растворенного кислорода на рис.3 (RD) и 4 (ND).
3. Результаты моделирования термодинамики и характеристик качества воды виртуального водохранилища в субарктической зоне

Рис.2 Поле температуры воды(C0).
Модель ND, даты : (а) – 31 мая, (б) – 1 августа, (в) – 30 сентября 2003г.
(в)
(б)
(а)

Особый интерес представляют результаты расчета характеристик ледового покрова по модели ND. Начальная толщина льда, равная 0.6м( данные по г/п Сосьва, начало марта 2003г), во второй половине апреля уменьшилась до 0.3м и в конце первой декады мая лед растаял на большей части акватории виртуального водохранилища.
3. Результаты моделирования термодинамики и характеристик качества воды виртуального водохранилища в субарктической зоне

Согласно расчетам по модели ND ледостав на виртуальном водохранилище начинается во второй половине октября. Толщина льда на 3 ноября 2003г на сегментах вблизи входного створа составляла 0.15м по модели ND и совпала с результатами измерений на г/п Сосьва 5 ноября 2003г.
3. Результаты моделирования термодинамики и характеристик качества воды виртуального водохранилища в субарктической зоне

Важнейшим индикатором биохимического состояния водных экосистем является концентрация растворенного кислорода (РК). Как видно из рис. 3, модель RD хорошо воспроизводит, фактически наблюдаемую в этом хорошо прогретом водохранилище, обширную зону гипоксии (дефицита РК) в летне-осенний период.
3. Результаты моделирования термодинамики и характеристик качества воды виртуального водохранилища в субарктической зоне

Рис.3. Поле концентрации растворенного кислорода(г/м3).
Модель RD, даты : (а) – 31 мая, (б) – 1 августа,(в) – 30 сентября 1980г.
(а)
(б)
(в)

Генетической причиной формирования такой зоны являются высокие значения седиментного потребления кислорода(СПК), связанного с бактериальным разложением органического вещества, накопленного в донных отложениях. В виртуальном водохранилище, как видно из сравнения рис. 3 и 4 ситуация с полями РК выглядит более оптимистично, хотя величины СПК были заданы теми же самыми, как в модели RD.
3. Результаты моделирования термодинамики и характеристик качества воды виртуального водохранилища в субарктической зоне

Рис.4. Поле концентрации растворенного кислорода(г/м3).
Модель ND, даты : (а) – 31 мая, (б) – 1 августа,(в) – 30 сентября 2003г.
(а)
(б)
(в)

Заключение
Результаты работы по применению базового моделирующего комплекса к конкретным водным объектам, позволяют констатировать готовность лаборатории к выполнению в 2005г полномасштабной научно-технической разработки «Создание информационно-моделирующей системы гидродинамики, химических и биологических показателей качества поверхностных вод с учетом антропогенных нагрузок для решения прикладных задач водопользования, охраны водных и биологических ресурсов, экологического и гидротехнического проектирования и экспертизы».