21.Прогнозирование качества водных ресурсов

Прогноз качества и количества вод суши является завершающим этапом мониторинга. Применяемые в настоящее время методы прогнозирования качества воды делятся на два вида: основанные на предположении о сохранении во времени тенденции развития процессов, происходящих в водных объектах в период их изучения (методы экстраполяции или-определения трендов), и базирующиеся на математическом описании или физическом изучении гидродинамических, физико-химических и других процессов, протекающих в водоеме или водотоке и учитывающих закономерности изменения состояния водного объекта со сменой основных факторов, определяющих это состояние, — моделирование процессов (математическое, физическое, лабораторное) или создание модельных объектов, территорий, полигонов. По заблаговременностй прогнозы могут быть краткосрочными и долгосрочными. При использовании метода экстраполяции период наблюдений должен быть существенно длительнее прогнозируемого периода (в три раза и более), включать многоводные и маловодные периоды стока, а характер нарушений качества и количества стока должен сохранять стационарный или однонаправленный режим. При скачкообразном изменений антропогенных факторов; определяющих состояние водных объектов, особенно если эти скачки плохо предсказуемы, получить достаточно удовлетворительные прогнозные данные обычно не представляется возможным. Наилучшие результаты получаются при экстраполяции интегральных кривых (или трендов) изменения количества стока рек или объемов воды водоемов под влиянием установившейся хозяйственной деятельности по среднегодовым характеристикам стбка рек или уровней воды водоемов. Также более устойчивы во времени и среднегодовые характеристики качества воды, которые могут использоваться аналогичным образом для прогнозирования. При моделировании возможно создание математических или физических моделей водных объектов или процессов, в них протекающих. Это позволяет анализировать закономерности разви16 Заказ № 33 2 57 тия и изменения состояния водных объектов без производства длительных полевых исследований.

Математические модели качества воды базируются на дифференциальных уравнениях с частными производными. С их помощью могут моделироваться условия формирования качества и количества воды (или отдельные процессы, обусловливающие качество воды) — имитационные модели. Моделирование оптимальных условий существования водного объекта с учетом его нагрузки сточными водами или при производстве водозаборов с сохранением норм качества воды производится с использованием оптимизационных моделей. Модели качества воды должны быть достаточно простыми в практическом использовании, не требовать большого количества исходной информации, включать основные факторы формирования качества воды, обладать универсальностью и давать достаточно надежные результаты (или иметь хорошую оправдываемость). При моделировании качества воды необходимо учитывать динамику распространения загрязнений и их трансформацию по длине реки или по объему водоема (перемешивание и разбавление вод). Поэтому расчетные модели могут быть одно-, двух- или трехмерными. Однако существенное различие в методах расчета обычно сказывается лишь вблизи места выпуска сточных вод, а в случае, если расстояние от этого места превышает 30 м, различные методы дают близкие р!езультаты (Фальковская и др., 1982). Расхождение расчетных данных вблизи места выпуска объясняется сложностью учета характера начального разбавления. При составлении краткосрочных оперативных прогнозов целесообразно применять методы расчета, использующие коэффициенты дисперсии и неконсервативности и позволяющие определять поле распределения загрязняющих веществ при выпуске сточных вод. При долгосрочном прогнозировании качества воды могут быть использованы балансовые методы расчета, учитывающие как расход воды сточных вод и их приемника, так и концентрацию загрязняющих веществ. При этом средние и большие реки необходимо делить на расчетные участки — от створа загрязнения до контрольного створа или до впадения притока, или до нового створа загрязнения. Выбор математической модели для прогноза качества воды определяется наличием исходных данных и задачей расчета. Загрязнение водных объектов и прогноз их состояния в значительной мере зависит от размещения источников загрязнения. Оптимизация этого размещения должна исходить из задачи создания! условий, при которых загрязнение будет минимальным, т. е. решается проблема минимакса (Марчук, 1982) на основе использования уравнения диффузии загрязняющего гидрозоля при известных данных о поле скоростей течения и коэффициентах турбу-258: лентной диффузии. Проблема минимакса решается путем перебора допустимых (максимальных) значений санитарных норм в расчетных точках рассматриваемой акватории и выбора точки с минимальными из максимальных значений, которая и будет являться расчетной. Правильность выбора мест выпуска сточных вод и устройства водозаборов может быть уточнена методом физического моделирования. Оно же позволяет определить зоны загрязнения и обратного течения (если оно возможно), а также необходимую степень очистки сточных вод. Модели создаются в гидравлических лабораториях. Они должны иметь неразмываемые стенки и ложе. При их создании должны соблюдаться условия гидравлического подобия натуре. Это достигается путем анализа дифференциальных уравнений, описывающих процессы взаимодействия сточных и природных вод в водном объекте. При отсутствии достаточно обоснованной системы дифференциальных уравнений может быть использована теория размерности, учитывающая влияние основных факторов, определяющих изучаемые процессы. Динамическое подобие модели и натуры наблюдается, если имеются их геометрическое и кинематичеекое подобие и равенство чисел Фруда. Допустимые искажения масштабов модели могут быть в пределах от 1 до 500 при уменьшении глубины до 10 см (Фальковская и др., 1982). Помимо гидравлического моделирование качества воды Сможет быть произведено методом электроконвективно-диффузнойной аналогии, базирующейся на исследовании закономерности распространения электрического тока в электропроводной среде, как аналоге водной среды (Дружинин, Шишкин, 1975). Реализация математических и аналоговых моделей производится на цифровых и аналоговых ЭВМ. К ак пример необходимого количества исходной информации при математическом прогнозе поля загрязнения в случае проектирования выпусков сточных вод может служить набор основных данных, позволяющих рассчитать распределение концентрации консервативного и неконсервативного загрязняющего вещества, а также дефицит кислорода в воде при береговом выпуске сточных вод (Фальковская и др., 1982):

— минимальный расход воды 95%-ной обеспеченности в створе выпуска,

— средняя глубина и ширина потока,

— площадь поперечного сечения потока,

— гидравлический уклон и радиус русла потока,

— средняя и динамическая скорость течения,

— фоновая концентрация и фоновый дефицит кислорода,

— коэффициент скорости биохимического потребления кислорода,

— коэффициент скорости реаэрации,

— расход сточных вод на выходе из выпуска,

1 6* 2 59 — концентрация консервативного и неконсервативного загрязняющих веществ в сточных водах при выпуске. В зависимости от характера взаимодействия выброса и водного объекта и применяемой модели вид и количество составляющих будут несколько меняться. Степень сложности модели определяется количеством и надежностью исходной информации, возможностью использования вычислительных машин и их мощностью. Наличие разнообразных моделей прогнозирования качества вод обусловливает возможность выбора конечных результатов на основании оценки экономической эффективности рассматриваемых вариантов, в свою очередь учитывающих возможности управления водохозяйственными системами и их преобразования. При этом основными путями управления являются увеличение степени очистки сточных вод, усовершенствование водовыпусков или создание регулирующих водохранилищ. Преимущество отдается варианту, имеющему наименьшие капитальные вложения и эксплуатационные затраты при сохранении допустимых норм качества воды.