автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.18, диссертация на тему:Информационно-аналитическая среда оценки качества поверхностных вод речного бассейна

На правах рукописи

АРХИПОВА ОЛЬГА ЕВГЕНЬЕВНА

ИНФОРМАЦИОННО-АНАЛИТИЧЕСКАЯ СРЕДА ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОД РЕЧНОГО БАССЕЙНА

05.13.18 - Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ростов-на-Дону 2006

Работа выполнена в НИИ Механики и Прикладной Математики им. Воровича И. И. Ростовского Государственного Университета

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук, доцент

Сурков Федор Алексеевич

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор технических наук, профессор, Пряжинская Валентина Гавриловна кандидат физико-математических наук, доцент Надолин Константин Аркадьевич Московский государственный университет имени Ломоносова

Защита диссертации состоится 4октября 2006 г. в // часов на заседании диссертационного совета К.212.208.04 по физико-математическим и техническим наукам в Ростовском Государственном Университете по адресу:

344090, г. Ростов-на-Дону, пр. Стачки 200/1, корпус 2, ЮГИНФО РГУ, к. 206

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке РГУ по адресу: г. Ростов-на-Дону, ул. Пушкинская, 148.

Автореферат разослан

2006 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета, кандидат физико-математических наук

Муратова Г. В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Развитие водопользования со временем приводит к дефициту водных ресурсов, а также к загрязнению рек и водоемов. В этих условиях значительно усложняются задачи связанные с оценкой воздействий хозяйственной деятельности на водные экосистемы. Основные положения моделирования в области водопользования в настоящее время составляют основу принятия решений. Современный инструментарий моделирования включает в себя развитый математический аппарат и средства вычислительной техники. Отличительной чертой данного инструментария является переход к современным персональным компьютерам, совершенствование программного обеспечения, использование новейших информационных компьютерных технологий, таких как технологии геоинформационных систем (ГИС) и интернет-технологии. Все это позволяет утверждать о создании принципиально нового подхода при компьютерном моделировании в области водных проблем.

ГИС объединяют комплекс аппаратных устройств и программных продуктов, предназначенных для сбора, хранения, преобразования, отображения и распространения пространственно-координированной информации,

пространственного моделирования природных и социально-экономических систем, и, наконец, для поддержки принятия решений и управления.

Стандартные геоинформационные системы являются мгновенными снимками состояния определенной территории и не включают в явном виде параметр времени. Использование математических моделей динамики компонент природной среды открывает возможности преодоления этого недостатка традиционных ГИС. При этом весьма' актуальной является проблема количественного оценивания тенденций долговременных изменений агрегированных параметров природно-ресурсного потенциала изучаемой территории и формализация процедур сравнения сценариев альтернативных стратегий природопользования. На основе современных информационных технологий, таких как ГИС и Интернет-технологии, появляется возможность обеспечить единое информационное пространство, ведение и хранение цифровых карт местности, баз данных, представление экологической информации для оперативного решения задач управления.

ГИС является мощным инструментальным средством решения задач связанных с пространственной протяженностью природных объектов.

Одна из таких возможностей ГИС связана с оценками гидрологических параметров на основе анализа карты рельефа и привязанной к ландшафту разнообразной растровой и векторной информации. Исходя из уровня детализации рассматриваемой водохозяйственной системы, во-первых, появляется возможность выделить для всех притоков водосборные территории. Во-вторых, с помощью ГИС могут быть получены пространственно-распределенные параметры математических моделей. В-третьих, решается задача согласования различных подходов для расчета водного и химического балансов водосборов и водотоков.

Другим мощным инструментом ГИС является база геоданных (БГД), которая определяет обобщенную модель данных и привязку к карте информации о пространственно-распределенных элементах из объектно-ориентированных баз данных различного уровня. БГД и встроенные в нее функции обеспечивают возможность доступа к информации с возможностью ее обобщения по временным интервалам, водосборным территориям и участкам рек.

Третий используемый инструмент ГИС — визуализация модельных расчетов на основе выбранных сценариев развития для представления материала в виде, удобном для анализа и принятия решений.

Модели и методы планирования водохозяйственных систем, ориентированные на распределение объемов потребления воды, а также описание процесса формирования стока и водообмена в достаточной степени разработаны. Для того чтобы результаты математического моделирования стали элементом механизмов принятия решений в ГИС-системе, они должны легко передаваться в ГИС и, наоборот, необходимые данные из ГИС должны распознаваться и импортироваться моделирующей системой для использования в расчетах.

Основная идея диссертации заключается в синтезе методов математического моделирования экологических систем и современных компьютерных геоинформационных технологий.

Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является разработка программного комплекса, опирающегося на использование современных информационных и компьютерных технологий для совершенствования инструментария оценки качества водных ресурсов региона (на примере поверхностных вод речного бассейна). Реализация поставленной цели предполагает решение следующих основных задач:

1. Разработать методику комплексного использования моделей различного уровня сложности и детализации для оценки качества водных ресурсов.

2. Определить структуру и критерии модельного наполнения Банка моделей

3. Реализовать математические модели оценки качества поверхностных вод на основе известных математических моделей (стационарной и нестационарной)

4. Разработать компьютерную технологию совместной работы банка математических моделей и базы данных о состоянии водных ресурсов в рамках единой геоинформационной системы

5. Разработать и реализовать на примере конкретного региона (бассейна реки Нижнего Дона) локальную геоинформационную среду «Водные ресурсы» с использованием Банка математических моделей

6. Разработать и реализовать и'еЬ-ориентированную версию ГИС «Водные ресурсы».

Материалы и методы исследования. Исследование основано на применении аппарата математического моделирования качества поверхностных вод, предусматривающего использование классических подходов (с использованием уравнения турбулентной диффузии, моделирования распространения примесей в

потоке, статистических методов обработки информации, техники имитационного моделирования) и современного опыта создания и исследования моделей оценки качества поверхностных вод, а также принципов геомоделирования пространственно распределенных объектов.

В качестве фактического материала были использованы опубликованные данные Госкомстат РФ, Госкомэкологии РФ, Госкомгидромета РФ.

Научная новизна. Разработчики математических моделей зачастую не хотят отходить от традиционных методов математического моделирования пространственных объектов. С другой стороны, специалисты по ГИС технологиям не имеют навыков математического моделирования поведения объектов. В работе осуществлено комплексное научно-обоснованное решение задачи оценки качества водных ресурсов на основе новейших информационных технологий с использованием ГИС, банка математических моделей, путем синтеза методов математического моделирования и дополнительных возможностей ГИС. Разработана интегрированная компьютерная информационно-аналитическая среда для совместной работы геоинформационной системы и банка математических моделей. Создана Интернет-ориентированная версия системы, позволяющая осуществлять оценку состояния водных ресурсов региона на основе новейших информационных технологий с использованием геоинформационной системы и банка математических моделей.

Практическая значимость. Результаты выполнения проекта в виде математических моделей, вычислительных алгоритмов и компьютерных программ могут быть использованы в Научно-образовательном Эколого-аналитическом центре системных исследований математического моделирования и геоэкологической безопасности Юга России, Департаменте государственного контроля и перспективного развития в сфере природопользования и охраны окружающей среды МПР России по Южному федеральному округу, Главном управлении природных ресурсов и охраны окружающей среды МПР России по Ростовской области (ГУПР по Ростовской области), Донском бассейновом водном управлении, Комитете по охране окружающей среды и природных ресурсов Администрации Ростовской области (Ростоблкомприрода), Южном филиале Института Водных проблем РАН.

Результаты работы имеют непосредственное практическое значение в учебном процессе, как в рамках программ дистанционного образования, так и в практике традиционного учебного процесса. Предлагаемая система представляет интерес для пользователей, которым знакома возможность моделирования, но они не могут использовать модели, не имея специальных навыков.

Результаты научных исследований по проекту отражены на Интернет-страницах сайта ГИС Центра РГУ, аккумулирующего научные и учебно-методические материалы в области геомоделирования, математического моделирования и компьютерных технологий, ориентированных на современную экологическую проблематику.

Достоверность. Достоверность научных положений и выводов, полученных в работе, является следствием использования классических математических методов

построения моделей, их численного и аналитического анализа; использования реальных данных по динамике внешних факторов; согласования результатов аналитических исследований и численных экспериментов, согласования численных экспериментов с натурными данными и результатами, полученными другими авторами.

Апробация работы. Результаты, полученные в рамках диссертационной работы, докладывались и обсуждались на следующих научных семинарах и конференциях: на XXIX-XXXIV Всероссийских школах-семинарах «Математическое моделирование в проблемах рационального природопользования» (Дюрсо 2001-2006); отдела математических методов в экологии и экономике (Ростов-на-Дону, 2002-2006), на Всероссийской школе по комплексным гидробиологическим базам данных (Ростов-на-Дону,2005), на научно-методической конференции «Современные информационные технологии в образовании: Южный Федеральный округ» (Ростов-на-Дону,2006)

Исследования, проводимые по теме диссертации, легли в основу научно-исследовательской работы, проводимой по гранту АФГИР 2001-2005 г., использованы в научно-исследовательской работе по программе фундаментальных исследований ОНЗ РАН «Развитие технологий мониторинга, экоснстемное моделирование и прогнозирование при изучении природных ресурсов в условиях аридного климата».

Ключевые слова и словосочетания: математическое моделирование, компьютерные технологии, геоинформационная система, интернет-технологии.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 19 печатных работ, в том числе 16 в материалах школ и конференций, две статьи в центральной печати и глава коллективной монографии.

Объем н структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем работы 165 страниц, в том числе 12 таблиц и 33 рисунка, 12 страниц приложения. Список литературы содержит 105 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении раскрывается актуальность темы диссертации, изложены основные цели и задачи диссертации, показана их практическая значимость, дано краткое содержание работы и сформулированы основные положения, выносимые па защиту.

В первой главе изложены основные принципы математического моделирования качества водных ресурсов, дан обзор математических моделей, используемых для оценки качества поверхностных вод, обоснован выбор моделей прогнозирования качества поверхностных вод. Описаны теоретические принципы построения моделей, вошедших в Банк моделей.

Выбор базовых моделей качества воды определяется потребностями решаемых задач анализа фактического состояния и прогнозирования тенденций

изменения состояния водных ресурсов при изменении водохозяйственной политики и при аварийных ситуациях, В настоящее время существуют достаточно большой класс моделей оценки качества поверхностных вод. Математическое моделирование массопереноса загрязняющих веществ в речных системах часто сопряжено с большими трудностями, обусловленными пространственно-временной неоднородностью изучаемого процесса. Наиболее широко используемым аппаратом для моделирования качества воды на отдельном участке реки является система уравнений турбулентной диффузии, позволяющая с любой точностью рассчитывать концентрации примесей.

В главе проведен анализ классических и современных методик расчета концентраций загрязняющих веществ (ЗВ) в русловом потоке и программных комплексов расчета концентраций ЗВ отечественных и зарубежных авторов.

В результате анализа существующих методов и подходов предложена методика комплексного использования моделей различного уровня сложности и детализации для изучения проблемы качества водных ресурсов региона. Определен состав банка математических моделей

В главе подробно рассмотрены инструменты пространственного анализа и геомоделирования, определено их место в изучении поверхностных вод. Сделан обзор современных подходов к моделированию речных бассейнов на основе ГИС. Определена постановка задачи - разработка программного комплекса, опирающегося на использование современных информационных и компьютерных технологий для совершенствования инструментария оценки качества водных ресурсов региона (на примере поверхностных вод речного бассейна).

Во второй главе предложена компьютерная технология совместной работы банка математических моделей и базы данных о состоянии водных ресурсов региона в рамках единой геоинформационной системы. Обосновано преимущество использования методов геоинформационных технологий в задачах моделирования пространственных объектов.

Интегрированное приложение «МОДЕЛИ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОД - ГЕОИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА» рассматривается как отдельная среда, предлагающая расширенный набор функций. Проблема моделирования качества воды задумана в географическом контексте; как следствие, пространственные характеристики рассматриваются в первую очередь. Поэтому, в этом приложении географическая информационная система использована как начальная и конечная система, включающая в себя дополнительные характеристики моделирования поверхностных вод. Этот выбор также обусловлен тем фактом, что большинство моделей качества воды в водотоках имеет довольно слабый пользовательский интерфейс, хотя и обладают мощными вычислительными возможностями. Кроме того, они имеют слабые встроенные возможностей для пространственного размещения данных. Интегрировать эти две среды позволяет архитектура клиент-сервер, в которой ГИС выступает как клиент, п Модель как сервер.

ГЕОСРЕДА - это интегрирование трех основных компонентов системы -БАНКА МОДЕЛЕЙ, СУБД и ГИС (рис.1).

Банк

математических моделей

Архитектура клиент-сервер ООЕ

ГИС:

Интерфейс пользователя

База данных

Препроцессор Постпроцессор

Рис. 1 Схема взаимодействия ГИС и математических моделей.

Компьютерный банк моделей предназначен для прогнозирования загрязнения водоемов. В состав компьютерного банка моделей включены несколько различных эколого-математических моделей.

Выбор базовых моделей качества воды определен исходя из потребностей решаемых задач:

• анализа фактического состояния

• прогнозирования тенденций изменения состояния водных ресурсов при изменении водохозяйственной политики

• прогнозирования изменения состояния водных ресурсов при аварийных ситуациях.

Согласно этим потребностям рассмотрено решение стационарной задачи (мониторинг качества воды в речном русле) и нестационарной задачи — залповый выброс загрязняющих веществ.

При управлении качеством воды должны быть решены конкретные задачи для различных типов водохозяйственных участков, поэтому банк моделей для оценки и прогнозирования динамики качества воды построен как открытый комплекс, с возможностью подключения новых блоков, представляет собой «ящичную» систему.

Банк моделей организован таким образом, что в него может быть введена, согласно правилу проводимого эксперимента, та или иная модель, представляющая собой закрытый модуль. Кроме того, блочный принцип дает возможность при построении системы устанавливать необходимые пропорции между подробностью моделирования и обеспеченностью информацией, позволяет осуществлять управление в интерактивном режиме, то есть сочетать алгоритмические процедуры с эвристическими приемами.

Поскольку основным структурным элементом банка моделей являются модели отдельных элементов и процессов, в банк включены модели, которые удовлетворяют следующим требованиям:

• внутренняя структура модели обеспечивает возможность учета достаточно широкого круга входных переменных и параметров, определяющих поведение модели в различных условиях;

• в состав модели включены параметры, имеющие конкретный физический смысл и достаточно просто оцениваемые на ..основе имеющейся или поступающей в модель информации;

• входная информация, используемая моделью, организована в базу данных;

• результаты модельных экспериментов хранятся в базе данных;

• модель должна быть достаточно проста с точки зрения использования.

•

В соответствии с рассматриваемой ситуацией следует выбирать ту или иную модель для расчета. В Банк включены следующие модели:

1 .Решение стационарной задачи • Имитационная модель оценки качества поверхностных вод в речной системе • Балансовая модель распространения ЗВ

2.Расчет уровня загрязнения на участке реки • Модель качества водных ресурсов, основанная на уравнении турбулентной диффузии.

3.Решение нестационарной задачи • Модель расчета аварийной ситуации

4,Определение качества поверхностных вод • Модели оценки загрязненности поверхностных вод

Численная реализация моделей, входящих в состав Банка Моделей, проведена на примере речного бассейна Нижнего Дона.

Дана характеристика объекта исследования — поверхностных вод бассейна Нижнего Дона, и представлено решение стационарной и нестационарной задачи моделирования процессов загрязнения поверхностных вод бассейна Нижнего Дона.

Все модели расчета концентрации ЗВ, включенные в Банк Моделей, опираются на единую организацию построения графа расчетной сети, единую информационную базу и общую схему функционирования моделей (рис.2).

Расчетный граф построен по следующим правилам. Весь русловой поток является комбинацией элементарных отрезков произвольной длины, ограниченными створами. Элементарным отрезком считается прямой отрезок русла реки от поворота до поворота. Узлами элементарных отрезков являются точки изгиба реки. Каждый участок между створами представляет собой

комбинацию элементарных отрезков реки. Контрольные створы, точки забора проб качества воды, определяют верхнюю и нижнюю границу исследуемого участка реки. На концах значения сращиваются. Точки сброса сточных вод располагаются на элементарных отрезках. Точка впадения притока рассматривается как источник загрязнения. Расчет проводится на элементарных прямолинейных участках реки.

Характеристики реки и информация о загрязнении в промежуточных точках получается путем интерполяции. В настоящий момент используется линейная интерполяция по значениям в ближайших к заданной точке узлах графа.

_. ..¡¿••■•■¡■й' ..........................................................

Рис.2 Схема функционирования Банка моделей

Имитационная модель оценки качества поверхностных вод в речной системе. В банк моделей включена модель, разработанная коллективом НИИ механики и прикладной математики РГУ (Горстко А.Б. и др.). В модели рассчитывается стационарное состояние системы. Модель идентифицирована для бассейна Нижнего Дона (от Цимлянского водохранилища до устья реки).

Модель включает 14 камер : 1— Цимлянское водохранилище; 2—4 — разные участки р.Дон ( 2- до Николаевского гидроузла, 3- до Багаевского гидроузла, 4 -до Ростова-на-Дону, до Азовского моря-14); 6- Пролетарское и Веселовское

водохранилище; 5 - р.Сал; 7 - р.Быстрая; 8 - р.Калитва; 9 -Северский Донец; 10 -р.Кундрючья;11 -Тузлов; 12-р.Б.Егорлык; 13-р.Калаус. (см. рис.3)

речном бассейне

Вектор поступления загрязняющего вещества М характеризует мощность источников загрязнения. Егоу'-тый компонент есть суммарная скорость поступления загрязняющего вещества в./-тую камеру. Величина компонента вектора поступления складывается из двух видов источников:

• внутренних (вектор ¡V) , связанных со сбросом загрязненных веществ предприятиями данной камеры;

• внешних, связанных со стоком рек, с которым в камеру поступает определенная величина загрязняющих веществ.

Для их расчета используются величины расходов (£?,) в точках впадения речных притоков, а также величины концентрации загрязняющих веществ в них (С/) как функции времени. Вектор поступления загрязняющих веществ в у-тую камеру определен по формуле:

M^ = Wj + I,Ql^Ci ,]=1,2,...п. (1)

/

Распад загрязняющих веществ (неконсервативных) предполагается линейным с коэффициентом; распада Кк (1/сутки), зависящим от температуры. Вектор концентрации с' =(С,',С2,...С^) характеризует среднее качество воды в камере. Уравнения баланса вещества для каждой камеры, имеют вид:

1

СГ -О* =Ск'-е**» -О, -&Ск ЩкС}~)

л,

(2)

где С'к, (Уц. - концентрация ЗВ и водозапас в Л-камере, - концентрация ЗВ

и переток из камеры к в камеру /, С) - концентрация ЗВ и переток из камеры

] в камеру к.

После деления на (2м , имеем следующее уравнение

1

=с -а/а+тго-^хто-а^/а+ад/а)

1л лч^Ж (1 .О*/-!)

к а а а 7

(3)

В модель введена матрица перетоков, недиагональный элемент которой представляет собой расход воды, а диагональный - водозапас камеры. Матрица построена па основе матрицы инцидентности.

После проведения преобразований получим систему уравнений в следующем виде /

= С '

к, вы] кя ^ а, ^

(4)

Записав уравнение в векторном виде, через матрицу QN 1 - Е

0Ы = кк .

К,

£ 6 *«•

/ = 1 2 кк I * Л

дг

/ = 1 в кк < Л

, если Кц О , если Ке1=0

(5)

©V =

/А

1-Е

дг

0« Окк

, если Кк О

, если Кц=0, где Е = е~К"А'

и нормированный вектор поступления загрязняющих веществ,

, если Кц=0

в г

\-Е IV к

(б)

К. С«

, если Кя О

имеем следующую линейную модель:

(7)

С помощью модели рассчитывается динамика качества воды в камерах с заданным шагом. Учет самоочищения, уменьшения концентрации загрязняющего вещества за счет распада и биохимического окисления описывается кинетическим уравнением реакции первого порядка :

где С'— концентрация загрязняющего вещества в момент времени I; С°-начальная концентрация загрязняющего вещества; /О? - параметр скорости распада, рассматриваемого загрязняющего вещества в сутки.

Система уравнений решается отдельно для каждого загрязняющего вещества.

Если количество точек антропогенного воздействия на участке реки относительно велико и требуется проследить динамику загрязнителя по набору контрольных точек внутри участка, то целесообразно вместо формулы пользоваться рекуррентной процедурой. Рекуррентные соотношения, полученные на основании формулы, позволяют вычислить распределение концентрации загрязняющих веществ для 1-го элементарного участка водотока.

где Сх — концентрация загрязняющего вещества в х-м створе; С/ - фоновая концентрация ЗВ; IV, — масса сбрасываемого ЗВ /-м сбросом;г- время нахожнеия ЗВ в камере.

Найденные рекуррентные соотношения дают возможность рассчитать динамику распределения концентраций загрязнений по длине любого участка речной системы (п~1,2,...,М) для любых веществ.

Для оценки качества поверхностных вод в контрольных створах воспользуемся гидрохимическим индексом загрязнения воды ИЗВ и основной градацией классов качества вод в зависимости от значения индекса загрязнения воды. В таблице 1 приведены расчетные данные по участку реки.

С' = С°• е~к*

(8)

Модель качества водных ресурсов, основанная на уравнении массопереноса. В банк моделей включена модель, построенная на основе модели адвективно-диффузионной модели (Институт Водных проблем РАН). Уравнение переноса массы загрязняющего вещества при стационарном течении воды в русле с учетом источников сброса ЗВ, равномерно распределенных вдоль русла, имеет вид:

Г*С-КЛ.С + 1Г V т

с1х

Здесь х — расстояние по длине русла от начального створа (х=0 в начальном створе участка русла, х=Ь - в конечном створе), км; С — расход массы ЗВ через поперечное сечение русла, т/сут; V — скорость переноса ЗВ,. км/час - коэффициент скорости распада ЗВ, 1/сут; IV — распределенный по длине русла при-ток ЗВ (модуль диффузного стока ЗВ), т/(сут*км).

Начальное условие:

С(х)= Со прих=0, (11)

где С„ - расход массы ЗВ через начальное сечение, т/сут.

После преобразования уравнения получим формулу для расчета концентрации ЗВ:

у.цг у ТР (12)

А ЛД

Полученная формула использована для расчета неконсервативного переноса ЗВ, для случая, когда коэффициент скорости распада к, отличен от нуля. Для случая консервативного переноса:

С1 =С0+!Г-£ Таблица 1. Модельные данные расчета по контрольному створу.

Ингредиенты и показатели качества воды ПДК, мг/л Уровни загрязнения воды рДон ниже г.Росгова ИЗВ;

Хлориды 300 206 0.6867

Сульфаты 100 375 3.75

Железо (общее) 0.1 0.57 5.7

Марганец 0.01 0.008 0.8

Аммоний, N 039 0.85 2.1795

1 1итраты,Ы 9.1 10 1.0989

Фоа]шы, Р 02 024 12

ХПК 30 140 4.6667

БПК5 2 8.79 4395

СПАВ 0.1 0.12 12

Фенолы летучие 0.001 0.018 18

Нефтепродукты 0.5 1.12 224

ИЗВобщий 3.618209 Класс 4 (загрязненные)

Нестационарная задача для случая аварийного сброса при наличии полной и неполной информации по выбросу.

Минимально обеспеченный уровень информации об аварийной ситуации рассматривался для условий, когда известны только местоположение и время начала интенсивного аварийного поступления больших объемов загрязняющих веществ в водный объект.

Для решения задачи было принято условие, что концентрация загрязняющего вещества в зоне высокозагрязненных вод постоянно существенно выше уровня (критерия) высокого загрязнения воды. Для случая консервативного переноса, в формуле (9) модулем диффузионного стока можно пренебречь. В используемой для данного случая одномерной модели, функцией является гарантированное время перемещения фронта зоны высокозагрязненных вод до заданных контрольных створов, аргументами - морфометрические характеристики речного потока на выделяемых характерных участках речной сети.

„ (13)

где Г— время добегания залпового сброса до контрольного створа. /./ - длина элементарного участка речного русла V/-скорость течения реки на элементарном участке.

В случае равнинной реки в качестве скорости выбрана средняя скорость реки, заданная по контрольным створам.

Модель оценки качества поверхностных вод. Критерием уровня загрязненности поверхностных вод служит величина индекса загрязнения. Индекс загрязнения оценивает качество воды в русле согласно классам качества поверхностных вод. Расчет индекса загрязнения проводился двумя способами: 1. Использована методика оценки качества водных объектов, основанная на

расчете гидрохимического индекса загрязнения воды (ИЗВ). Методика рекомендована "Временными методическими указаниями комплексной оценки качества поверхностных вод по гидрохимическим показателям".

Расчет ИЗВ проводился на основе предельно допустимых концентраций (ПДК), значения которых изменяются в зависимости от типа водопользования согласно формуле:

(14)

м&пдк,

2. Второй метод предполагает предварительное ранжирование ЗВ по трем классам.

Для каждого вещества из перечня, у которого концентрация не равна О, вычисляется коэффициент воздействия (нормирование концентрации относительно предельно допустимого значения - ПДК). Вещества ранжируются (упорядочиваются) по степени воздействия. Все вещества, для которых коэффициент воздействия больше 1, объединяются в группу лимитирующих показателей. Для каждой группы рассчитывается ИЗВ, исходя из лимитирующих показателей. За индекс качества воды принимается интегральный скалярный показатель качества воды, равный большему из рассчитанных показателей.

(15)

В третьей главе изложены основные принципы построения геоинформационой системы «Водные ресурсы бассейна Нижнего Дона».

В картографической компоненте интегрированной среды выделены три основных составляющих:

1. Карты для предварительного исследования и постановки задачи моделирования

2. Рабочие карты промежуточных стадий для наглядного образно-пространственного представления результатов предшествующих математических расчетов

3. Итоговые карты, отражающие результаты моделирования

Картографическая компонента является продолжением и развитием математической модели, картографическая интерпретация математических расчетов служит инструментом многостороннего анализа результатов математического моделирования.

В главе изложена детализированная процедура подготовки первичной информации для математических моделей, методика создания пространственной модели территории и расстановки основных объектов на электронную карту местности. Предложена методика использования пространственного моделирования на основе Цифровой Модели Рельефа с целью построения линий водоразделов и водосборных бассейнов для исследования антропогенной нагрузки на водные объекты. На рис.4 показаны основные этапы реализации схемы построения водосборных бассейнов.

Рис.4 Основные этапы формирования водосборных бассейнов

Грид-модель территории представляет собой двумерный массив значений высот рельефа местности:

¡=1,...,п,]=1,..., т, х1=(1-1)- Ах + хо, УГб'-О-Лу+уо, 2тт <2тах,

5= п- т-Ах-Ау,

где ось х направлена слева направо; ось .у снизу вверх; Ах - шаг по оси х, м; Ду - шаг по оси у, м; - высота, м; Zw/«, 2тах - минимальная и максимальная высоты соответственно; 5 - общая площадь, км2.

Каждому элементу этой матрицы соответствует элементарная площадка водосборной территории площадью:

с£и=Ах-Аут/(1и2+]), (56)

где - средний уклон (м/м).

Построение модельных водосборов позволило определить площади водосбора на уровне любого створа для оценки вклада неточечных источников загрязнения. Рассмотрим произвольный створ На ориентированном графе У) речной сети можно выделить подмножество створов-вершин таких, что из них исходят дуги, заходящие в _/-тый створ. Для каждого такого створа можно рассмотреть свои площади водосбора Рк. Часть бассейнаесть частная площадь водосбора

(на уровне ./-того створа). Вынос диффузных загрязнений в реки обусловлен, в основном процессами водного и твердого стоков, формируемых на территориях частных водосборов. Промышленные и урбанизированные территории определяются по данным статистической отчетности, в большинстве случаев объем стока рассчитывается на основе среднего значения доли водонепроницаемых поверхностей, приходящихся на долю частного водосбора. Масштабы развития эрозионных процессов оцениваются исходя из площади эродированных земель, приходящихся на элементарный водосбор.

Таким образом, построенная карта элементарных водосборов позволяет оценить вынос ЗВ от неточечных источников, приходящихся на данный водосбор. Рассмотренный подход позволяет оценить общие масштабы загрязнения водных объектов различными загрязнителями, смываемыми поверхностными стоками с площадей определенного функционального назначения. Оценка проводится по участкам водосборной площади, однородным по условиям, а полученные оценки распространяются на территорию водосбора в целом.

В главе изложены методика построения базы данных и основных информационных потоков. Для проведения гидрохимического анализа качества водного объекта, а также анализа воздействия пользователей водных ресурсов и нормирования экологической нагрузки на базе ГИС была разработана информационная среда системы. Она обеспечивает объединение и использование распределенной информации, а ГИС- технология - ее обработку в соответствии с географической или административной привязкой. Информационная среда состоит из базы моделей природных и техногенных объектов, баз данных результатов контроля и анализа, а также нормативной базы. Вся входная информация связана с пространственными объектами посредством ГИС.

Вся информация, используемая в системе, сгруппирована по классам. При создании была принята порядковая система кодирования информации. Разработанная информационная модель отражает детальные взаимосвязи между первичными и вторичными данными, а также состав внутренней (промежуточной) информации, т.е. детальное информационное отображение самого процесса обработки. В информационную модель системы вошел полный перечень информации, необходимой для решения поставленных задач.

Предложены методы визуализации результатов моделирования в рамках геоинформационной системы и средств анализа объекта исследования методами геоинформационной системы. Созданная на базе ГИС информационная среда системы оценивания позволяет проводить пространственный анализ, оценивать качество водных объектов в разных контрольных створах. Для получения ранжированных индексов качества были выявлены основные критические вещества, определены основные водопользователи, вносящие основной вклад в загрязнение речного русла.

По каждому веществу, входящему в группу лимитирующих показателей, выделены предприятия, в состав сброса которых входит это вещество.

Общая структурная схема и принципы функционирования системы представлена на рис 5.

Геоинформационная среда оценки качества водных ресурсов использует стандартный интерфейс ГИС, со встроенными пользовательскими приложениями. Интерфейс данной модели состоит из основных и ряда вспомогательных окон, а также горизонтального меню. Основные окна предназначены для работы с информационной моделью, для работы с банком моделей оценки качества поверхностных вод речного бассейна. При загрузке программы сразу загружается проект АгсОШ.

В системе предоставляется возможность просматривать и редактировать всю информацию по каждому объекту.

Загрязнители отсортированы по следующим параметрам: прогнозируемой концентрации в воде, средней за прогнозный период концентрации в воде, максимальной концентрации в воде на момент прогноза. Промежуточные результаты можно сравнить с измеренными данными.

Географическая информационная система, база данных, и модельный интерфейс полностью интегрированы, и представляют объединенное графическое и символическое представление речного бассейна пользователю. Этот интерфейс очень прост, поддерживает простой исследовательский и экспериментальный доступ к большой и комплексной информации и системе поддержки принятия решений.

АРХИТЕКТУРА КЛИЕНТ-СЕРВЕР

ГЕОСРЕ|ЦА

Банк

Моделей качества водных ресурсов

Методы доступа к объектам , (АОО, БАО)

Рис.5 Общая схема функционирования системы анализа и прогнозирования качества водных ресурсов.

В четвертой главе дан обзор современных картографических интернет-технологий. Описана разработанная '\УеЬ-ориентированная ГИС с использованием модельного блока. Это приложение используется для оценки качества воды в реках бассена Нижнего Дона. Одним из важных характеристик этой системы является интеграция системных компонентов и независимость исследователей друг от

В состав Интернет-версии ГЕОСРЕДЫ входит картографическая, пространственная база данных, на основе локальной ГИС, атрибутивная база данных и модельный модуль (рис.6). Оригинальные модели написаны на языке VB, с сохранением и передачей данных в базу Microsoft Access. Модели были модифицированы для установления связи между моделями и слоями ГИС и встроены в Web-интерфейс.

База данных системы содержит пространственные и непространственные данные, информацию об отдельных участках реки, промышленных сбросах, питьевых водозаборах. База данных используется в качестве входа для расчета модели. Модель рассчитывает концентрацию ЗВ и индекс качества воды для каждого участка реки по одному или более гидрологическому бассейну. Модельные результаты сохраняются в базе данных и связываются с пространственными объектами — реками. Интернет-сервер, связанный с WebMap-

друга.

Обращение к ГИС

Банк моделей

Картографический сервер :

WebMap

Данных Р 5а„р ос

УС

Интернет

•сервер Web

Рис.6 Схема интернет-версии интегрированной среды

сервером, позволяет анализировать и отображать индекс качества воды на участке реки и интенсивность сброса ЗВ.

База данных и модели расположены на сервере. Простой доступ к модельным результатам предлагает пользователю выбор сценария модели, область исследования, параметры модели. Сохранение результатов моделирования на сервере позволяет сравнивать различные модельные сценарии.

В главе излагаются принципы, которые были положены в основу формирования серверной и клиентской части системы. Каждый пользователь запускает модель и получает модельные результаты независимо от других. Помимо тематических карт предусмотрена возможность просмотра результатов с учетом внесения пользователем своих изменений.

Возможность изменения данных предусмотрена таким образом, что действительные данные остаются нетронутыми и сохраняются в базе данных, а новые, введенные пользователем, видны только данному конкретному пользователю и удаляются, как только пользователь покидает пределы сайта. В связи с этим, при входе пользователя на сайт, часть данных, которая касается загрязнения, копируется в виртуальный каталог. В дальнейшем пользователь работает с данными, находящимися в виртуальном каталоге. В момент, когда пользователь покидает сайт, данные из виртуального каталога удаляются.

Связь результатов моделирования с базой ГИС позволяет просмотреть пространственное распределение индекса качества воды. Сравнивая индексы качества воды, полученные при функционировании различных сценариев моделирования можно визуально определить вклад источников ЗВ. Вся необходимая информация размещена в локальной версии ГИС, где постоянно поддерживается актуальность хранящихся данных.

Предлагаемая система представляет интерес для специалистов предметных областей, которым знакома возможность моделирования , но они не могут использовать модели, не имея специапьнх навыков. Делая модельный эксперимент более дружественным для пользователя через ГИС , тем самым предоставляется доступ к моделям большому кругу пользователей.

В Заключении подводятся основные итоги проведенных в диссертации исследований.

К ЗАЩИТЕ ПРЕДСТАВЛЕНЫ СЛЕДУЮЩИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ:

1. Проведены исследования и разработана методика комплексного использования моделей различного уровня сложности и детализации для оценки качества водных ресурсов.

2. Разработана структура и определен состав Банка моделей на основе известных математических моделей (стационарная и нестационарная задача).

3. Разработана компьютерная технология совместной работы банка математических моделей и базы данных о состоянии водных ресурсов в рамках единой геоинформационной системы.

4. Разработана и реализована на примере конкретного региона — бассейна Нижнего Дона — интегрированная среда «Водные ресурсы» с использованием Банка математических моделей и ГИС.

5. Разработана и реализована на примере конкретного региона — бассейна Нижнего Дона — Web-ориентйрованная ГИС «Водные ресурсы» с использованием Банка математических моделей.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1. Архипова O.E., Бело конь O.A., Сурков Ф.А. Процедуры гидрологического районирования ARC VIEW 3.2 на примере бассейна малой реки// Материалы XXIX школы-семинара Математическое моделирование в проблемах рационального природопользования. — Ростов-на-Дону, 2001. С. 17-19.

2. Архипова O.E., Шустова BJL, Сурков Ф.А Геоинформационная система качества водных ресурсов бассейна Нижнего Дона// Материалы XXVI школы-семинара Математическое моделирование в проблемах рационального природопользования.-Ростов-на-Дону, 2001. С. 20-21.

3. Архипова O.E., Сурков Ф.А., Белоконь O.A., Лихтанская Н.В. Применение геоинформационных технологий в моделировании экосистемы Азовского моря и его бассейна. Среда,биота и моделирование экологических процессов в Азовском море РАН. — Апатиты, 2001. С. 305-312.

4. Архипова O.E., Сурков Ф.А. Информационно-интеллектуальная среда анализа проблем геоэкологической безопасности Юга России// Материалы XXIX школы-семинара Математическое моделирование в проблемах рационального природопользования. — Ростов-на-Дону, 2002. С. 17-21.

5. Архипова O.E. Методика использования инструментов ГИС-технологий для модельного описания элементарного водосборного бассейна. ВИНИТИ, № 1379-В.-Москва, 2003.16 с.

6. Архипова O.E., Сурков Ф.А. Использование современных информационных технологий для оценки экологической безопасности Юга России.// Материалы XXXII школы-семинара Математическое моделирование в проблемах рационального природопользования. - Ростов-на-Дону, 2004. С.107-108.

7. Архипова O.E., Сурков Ф.А. Интернет-ориентированная геоинформационная система «Юг России» // Материалы XXXII школы-семинара Математическое моделирование в проблемах рационального природопользования. — Ростов-на-Дону, 2004. С. 109-112.

8. Архипова O.E., Сурков Ф.А. Использование методов математического моделирования экологических систем и компьютерных технологий для оценки экологической безопасности Юга России // Материалы XXXII школы-семинара Математическое моделирование в проблемах рационального природопользования. - Ростов-на-Дону, 2004. С. 113-115.

9. Архипова O.E., Сурков Ф.А. Структура ГИС анализа проблем экологической безопасности Юга России // Материалы XXXII школы-семинара Математическое моделирование в проблемах рационального природопользования. — Ростов-на-Дону, 2004. С. 116-118.

10. Архипова O.E., Сурков Ф.А Модели динамики качества поверхностных вод бассейна Нижнего Дона // Материалы XXXIII школы-семинара Математическое моделирование в проблемах рационального природопользования. - Ростов-на-Дону, 2005. С. 15-17.

11. Архипова O.E., Шаинян А.Г., Толпыгин А.Г., Сергеев Е.А., Сурков Ф.А., Использование современных интернет-технологий для оценки развития субъектов Южного Федерального Округа// Комплексные гидробиологические базы данных: ресурсы, технология, использование. — Ростов-на-Дону, 2005, С. 127

12. Архипова O.E., Сурков Ф.А., Середа Е.М. Основные принципы создания картографического сайта // Комплексные гидробиологические базы данных: ресурсы, технология, использование. - Ростов-на-Дону, 2005, С. 94-96.

13. Архипова O.E., Сурков Ф.А., Бирюков П.А., Выставкин Р.И. Анализ экологической ситуации бассейна Нижнего Дона с использованием ГИС// Комплексные гидробиологические базы данных: ресурсы, технология, использование. — Ростов-на-Дону, 2005, С. 59-60.

14. Архипова O.E., Сурков Ф.А. Геоинформационная среда оценки качества поверхностных вод бассейна Нижнего Дона// Комплексные гидробиологические базы данных: ресурсы, технология, использование. -Ростов-на-Дону, 2005, С. 35-46.

15. Архипова O.E., Сурков Ф.А.. Геоинформационные системы — современный способ ведения комплексных гидробиологических баз данных// Комплексные гидробиологические базы данных: ресурсы, технология, использование. - Ростов-на-Дону, 2005, С. 47-58.

16. Архипова O.E., Сурков Ф.А., Жильцов Ю.В., Ковалев B.C., Сон К.И. Использование методов пространственного анализа для оценки возможных последствий затоплений// Комплексные гидробиологические базы данных: ресурсы, технология, использование. — Ростов-на-Дону, 2005, С. 61

17. Архипова O.E., Старенкова Е.В., Сурков Ф.А. Использование процедур гидрологического моделирования для оценки последствий паводковых

. явлений в районе поселка Дюрсо// Комплексные гидробиологические базы данных: ресурсы, технология, использование. - Ростов-на-Дону, 2005, С.101-102.

18. Архипова O.E. Сурков Ф.А. Интернет-технологии в проблемах моделирования качества поверхностных вод//Научно-методическая конференция «Современные информационные технологии в образовании: Южный Федеральный округ». - Ростов-на-Дону, 2006. С. 23 8-240.

19. Архипова O.E. Информационно-аналитическая среда оценки качества поверхностных вод речного бассейна// Известия высших учебных заведений, Северо-Кавказский регион, естественные науки, приложение, №6, 2006.

С. 3-12.

В работах [ 1,3,16,17] автору принадлежит методика применения методов ГИС-технологий в задачах гидрологического моделирования на примере различных природных объектов.

В работах [2,4,6,8,9,10,13,14] автором осуществлен выбор реализующего модели алгоритма, получены теоретические результаты, обосновывающие методы разработки и принципы наполнения банка моделей, методы совместного использования банка моделей и ГИС.

В работах [7,11,12,18] автору принадлежит непосредственное участие в формулировке задачи, методика и способ реализации принципов создания геоинформационной системы общего доступа.

В целом, в совместных работах на долю соискателя приходится около 75%.

Печать цифровая. Бумага офсетная. Гарнитура «Тайме». Формат 60x84/16. Объем 1,0 уч.-изд.-л. Заказ № 1029. Тираж 100 экз. Отпечатано в КМЦ «КОПИЦЕНТР» 344006, г. Ростов-на-Дону, ул. Суворова, 19, тел. 247-34-88

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1 МОДЕЛИРОВАНИЕ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОД.

1.1 Качество воды в водоемах и водотоках. Основная терминология.

1.2 Обзор основных методов математического моделирования состояния водных объектов.

1.3 Имитационная модель динамики качества поверхностных вод.

1.4 Методы расчета разбавления сточных вод в реках.

1.4.1 Экспресс метод ГГИ.

1.4.2 Метод Таллинского политехнического института (ТПИ).

1.5 Модели формирования стока.

1.5.1 Модель формирования стока равнинных рек (имитационная камерная модель).

1.5.2 Адвективно-диффузионная модель формирования стока.

1.7 Пространственный анализ и геомоделирование в изучении поверхностных вод.

1.7.1 Геоинформационные Системы. Основная терминология.

1.7.2 Использование ГИС в задачах оценки качества водных ресурсов.

1.8 Задачи работы.

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 1.

ГЛАВА 2 ИНТЕГРИРОВАННАЯ СРЕДА «МОДЕЛИ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОД - ГЕОИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА».

2.1 Принципы построения интегрированной среды.

2.2 Основные принципы построения Банка моделей.

2.3 Характеристика предметной области. Физико-географическая характеристика водных объектов бассейна Нижнего Дона.

2.4 Решение стационарной задачи. Модели динамики качества воды для речной системы.

2.4.1 Имитационная модель оценки качества поверхностных вод в речной системе.

2.4.2 Балансовая модель распространения ЗВ.

2.4.3 Модель качества водных ресурсов, основанная на уравнении турбулентной диффузии.

2.5 Решение нестационарной задачи. Моделирование качества речных вод в условиях аварийных сбросов.

2.5.1 Минимально обеспеченный уровень информации об аварийной ситуации.

2.5.2 Достаточно полный уровень информации об аварийном сбросе сточных вод.

2.6 Модель оценки качества поверхностных вод.

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 2.

ГЛАВА 3 ГЕОИНФОРМАЦИОННАЯ СРЕДА ДЛЯ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОД В РЕЧНОЙ СЕТИ БАССЕЙНА НИЖНЕГО ДОНА

3.1 Создание пространственной модели территории.

3.1.1 Задача расстановки точечных источников на электронную карту.

3.1.2 Использование функций гидрологического моделирования для построения границ водоразделов и дренажной сети.

3.3 Пространственный анализ водопользователей.

3.4 Пользовательский интерфейс и взаимодействие основных блоков системы

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 3.

ГЛАВА 4 ИНТЕРНЕТ-ОРИЕНТИРОВАННАЯ ГЕОИНФОРМАЦИОННАЯ СРЕДА «ВОДНЫЕ РЕСУРСЫ НИЖНЕГО ДОНА».

4.1 Геоинформационные технологии в Интернет.

4.2 Интернет- версия системы.

4.2.1 Методы построения Интернет-версии ГИС.

4.2.2 Организация обработки и передачи геопространственных данных.

4.2.3 Серверная часть.

4.2.4 Клиентская часть.

4.2.5 Последовательность сеанса пользователя.

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 4.

Актуальность темы. Развитие водопользования со временем приводит к дефициту водных ресурсов, а также к загрязнению рек и водоемов. В этих условиях значительно усложняются задачи связанные с оценкой воздействий хозяйственной деятельности на водные экосистемы.

Системный подход к решению проблем природопользования предполагает комплексное изучение протекающих в ландшафтно-географической среде процессов. Решение данной задачи невозможно без привлечения методов прогнозирования, иными словами, без использования методов математического моделирования - одного из основных инструментов системного анализа.

К подобным исследованиям относится количественная оценка влияния параметров окружающей среды на состояние локальных и региональных водных экосистем и их составляющих, в частности, речных потоков. Реальная жизненная необходимость решения данной проблемы очевидна. Качество воды в реках, из которых происходит водозабор для нужд больших и малых городов, нуждается в постоянном контроле и прогнозировании. К сожалению, многие водоемы и особенно водотоки традиционно используются в качестве удобных и дешевых систем для удаления промышленных и бытовых отходов. По мере увеличения плотности населения и развития промышленности и сельского хозяйства антропогенная нагрузка на водоемы неуклонно растет.

Теоретические обоснование и практические подходы к решению задач управления качеством природных вод достаточно детально описаны в научной литературе. Математические модели позволяют спланировать стратегию управления качеством воды в источнике и оценить последствия ее реализации [94].

В последнее время в теории управления водными ресурсами появилось немало новых идей и результатов. Основные положения моделирования в области водопользования в настоящее время составляют основу принятия решений. Его инструментарий включает в себя развитый математический аппарат и средства вычислительной техники. Отличительной чертой данного инструментария является переход к современным персональным компьютерам, совершенствование программного обеспечения, использование новейших информационных компьютерных технологий, таких как технологии геоинформационных систем (ГИС) и интернет-технологии. Все это позволяет утверждать о создании принципиально нового подхода при компьютерном моделировании в области водных проблем.

ГИС объединяют комплекс аппаратных устройств и программных продуктов, предназначенных для сбора, хранения, преобразования, отображения и распространения пространственно-координированной информации, пространственного моделирования природных и социально-экономических систем, и, наконец, для поддержки принятия решений и управления [21]. ГИС располагает значительным количеством приемов анализа пространственных объектов, с помощью которых исследуют структуру и морфологию явлений с их количественной оценкой, изучают динамику и развитие явлений, выполняют прогнозные исследования. ГИС является мощным инструментальным средством решения задач связанных с пространственной протяженностью природных объектов. Одна из таких мощных возможностей ГИС связана с оценками гидрологических параметров на основе анализа карты рельефа и привязанной к ландшафту разнообразной растровой (карты типов почв, растительности, землепользования, урбанизированных территорий и др.) и векторной информации (дороги, каналы, реки, водохранилища, озера и др.). Другим инструментом ГИС является база геоданных (БГД), которая определяет обобщенную модель данных и привязку к карте информации о пространственно-распределенных элементах из объектно-ориентированных баз данных различного уровня.

Третий используемый инструмент ГИС - визуализация модельных расчетов на основе выбранных сценариев развития для представления материала в виде, удобном для анализа и принятия решений.

Стандартные геоинформационные системы являются, как правило, мгновенными снимками состояния определенной территории и не включают в явном виде параметр времени. Использование математических моделей динамики компонент природной среды открывает возможности преодоления этого недостатка традиционных ГИС. При этом весьма актуальной является проблема количественного оценивания тенденций долговременных изменений агрегированных параметров природно-ресурсного потенциала изучаемой территории и формализация процедур сравнения сценариев альтернативных стратегий природопользования. Модели и методы планирования водохозяйственных систем, ориентированные на распределение объемов потребления воды, а также описание процесса формирования стока и водообмена уже достаточно разработаны. Они включают в себя параметры, характеризующие процессы выноса примесей в водные объекты с поверхностным стоком городов, сельхозугодий и от локальных источников загрязнений из очистных сооружений, а также параметры, характеризующие процессы формирования качества вод - расход воды в водотоке, разбавление, распад и трансформация примесей [78,105].

Механизмы происходящих физико-химических процессов описываются так называемыми непрерывными или гидродинамическими моделями с сосредоточенными или распределенными параметрами. Модели с сосредоточенными параметрами могут быть детерминированными или стохастическими, с их помощью формируются долгосрочные ряды гидрологических и метеорологических условий, которые могут использоваться в качестве входных данных анализа выноса загрязняющих веществ (ЗВ). В моделях с распределенными параметрами водосбор делится на однородные участки с едиными характеристиками переменных состояния.

Именно эти модели больше подходят для ГИС и компьютерно-ориентированного моделирования. Одним из путей решения задач оценки состояния природной среды является выделение последовательных этапов и формирование соответствующих математических моделей [94].

Использование ГИС, как средства решения прикладных задач, основано, прежде всего, на новых возможностях проведения измерений по карте, которые дают ГИС-технологии. Метрологический подход к определению математической основы карт исходит из того, что измерения по карте должны дать информацию для решения тех задач, ради которых и создается тематическая карта. Например, для решения задачи оценки состояния вод нужно иметь разрешающую способность, достаточную не только для отображения всех контрольных створов и тех источников загрязнения, которые объясняют изменения качества воды от створа к створу, но и для определения параметров модели распространения загрязняющих веществ. Эта модель необходима для оценки и прогнозирования изменений качества воды на участке между створами. Возможности ГИС позволяют измерять по карте и вычислять по измерениям параметры, необходимые для расчетов по этой модели.

На основе современных информационных технологий, таких как ГИС и Интернет-технологии, появляется возможность обеспечить единое информационное пространство, введение и хранение цифровых карт местности, баз данных, представление экологической информации для оперативного решения задач управления.

Для того чтобы результаты математического моделирования стали элементом механизмов принятия решений, они должны легко передаваться в ГИС и, наоборот, необходимые данные из ГИС должны распознаваться и импортироваться моделирующей системой для использования в расчетах. Современные развитые средства программирования, основанные на объектно-ориентированном подходе и технологиях баз данных в сочетании с графическими и интерактивными возможностями, позволяют добиться высокой эффективности вычислительного эксперимента. Основная идея представленной работы заключается в синтезе методов математического моделирования экологических систем и современных компьютерных геоинформационных технологий.

В результате соединения технологии моделирования с современными геоинформационными технологиями, цифровыми компьютерными трехмерными моделями местности, базами первичной информации о состоянии окружающей среды, а также с современными средствами доставки информации до ее конечного пользователя - интернет-технологиями, построена Интернет-ориентированная геоинформационная система, позволяющая производить интерактивные вычислительные эксперименты и быть основой для развертывания дистанционных образовательных программ. Результаты этой научной разработки полезны при сравнении сценариев планируемых региональных программ природопользования.

Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является разработка программного комплекса, опирающегося на использование современных информационных и компьютерных технологий для совершенствования инструментария оценки качества водных ресурсов региона (на примере поверхностных вод речного бассейна). Реализация поставленной цели предполагает решение следующих основных задач:

1. Разработать методику комплексного использования моделей различного уровня сложности и детализации для оценки качества водных ресурсов.

2. Определить структуру и критерии модельного наполнения Банка моделей.

3. Реализовать математические модели оценки качества поверхностных вод на основе известных математических моделей (стационарная и нестационарная модель).

4. Разработать компьютерную технологию совместной работы банка математических моделей и базы данных о состоянии водных ресурсов в рамках единой геоинформационной системы.

5. Разработать и реализовать на примере конкретного региона (Бассейна реки Нижнего Дона) локальную геоинформационную среду «Водные ресурсы» с использованием Банка математических моделей.

6. Разработать и реализовать веб-ориентированную версию ГИС «Водные ресурсы» с использованием Банка математических моделей .

Объект исследования - мониторинг качества поверхностных вод бассейна Нижнего Дона, прогнозирование экологической ситуации бассейна реки в случае аварийных выбросов загрязнений.

Предмет исследования - применение методов математического моделирования и геоинформационных технологий для оценки качества поверхностных вод.

Материалы и методы исследования. Исследование основано на • применении аппарата математического моделирования качества поверхностных вод, предусматривающего использование классических подходов (с использованием уравнения турбулентной диффузии, моделирования распространения примесей в потоке, статистических методов обработки информации, техники имитационного моделирования), и современного опыта создания и исследования моделей оценки качества поверхностных вод, а также принципов геомоделирования пространственно распределенных объектов.

В качестве фактического материала были использованы опубликованные данные Госкомстат РФ, Госкомэкологии РФ, Госкомгидромета РФ.

Научная новизна. Разработчики математических моделей зачастую не хотят отходить от традиционных методов математического моделирования пространственных объектов. С другой стороны, специалисты по ГИС 9 технологиям не имеют навыков математического моделирования поведения объектов. В работе осуществлено комплексное научно-обоснованное решение задачи оценки качества водных ресурсов бассейна реки на основе новейших информационных технологий с использованием ГИС, банка математических моделей, путем синтеза методов математического моделирования и дополнительных возможностей ГИС. Разработана интегрированная компьютерная информационно-аналитическая среда для совместной работы геоинформационной системы и банка математических моделей. Создана Интернет-ориентированная версия системы, позволяющая осуществлять оценку состояния ресурсов региона на основе новейших информационных технологий с использованием геоинформационной системы и банка математических моделей.

Практическая значимость. Результаты выполнения проекта в виде математических моделей, вычислительных алгоритмов и компьютерных программ могут быть использованы в Научно-образовательном Эколого-аналитическом центре системных исследований математического моделирования и геоэкологической безопасности Юга России, Департаменте государственного контроля и перспективного развития в сфере природопользования и охраны окружающей среды МПР России по Южному федеральному округу, Главном управлении природных ресурсов и охраны окружающей среды МПР России по Ростовской области (ГУПР по Ростовской области), Донском бассейновом водном управлении, Комитете по охране окружающей среды и природных ресурсов Администрации Ростовской области (Ростоблкомприрода), Южном филиале Института Водных проблем РАН.

Результаты работы имеют непосредственное практическое значение в учебном процессе, в рамках программ дистанционного образования, в практике традиционного учебного процесса. В ходе выполнения работы ее результаты, в доступном для интерактивной работы с базами данных и математическими моделями виде, размещены в Интернет.

Предлагаемая система представляет интерес для пользователей, которым знакома возможность моделирования, но они не могут использовать модели, не имея специальных навыков. Делая модельный эксперимент более дружественным для пользователя через ГИС, тем самым предоставляется доступ к моделям большому кругу специалистов предметной области.

Результаты научных исследований по проекту отражены на Интернет-страницах сайта ГИС Центра РГУ, аккумулирующего научные и учебно-методические материалы в области геомоделирования, математического моделирования и компьютерных технологий, ориентированных на современную экологическую проблематику.

Достоверность научных положений и выводов, полученных в работе, является следствием использования классических математических методов построения моделей, их численного и аналитического анализа; использования реальных данных по динамике внешних факторов; согласования результатов аналитических исследований и численных экспериментов; согласования численных экспериментов с натурными данными и результатами, полученными другими авторами.

Апробация работы. Результаты, полученные в рамках диссертационной работы, докладывались и обсуждались на следующих научных семинарах и конференциях: на ХХУШ-ХХХШ Всероссийских школах-семинарах «Математическое моделирование в проблемах рационального природопользования» (Дюрсо, 2000-2005); на семинарах отдела математических методов в экологии и экономике (Ростов-на-Дону, 2002-2006); на Всероссийской школе по комплексным гидробиологическим базам данных (Ростов-на-Дону,2005); на научно-методической конференции «Современные информационные технологии в образовании: Южный Федеральный округ» (Ростов-на

Дону,2006)

Исследования, проводимые по теме диссертации, легли в основу научно-исследовательской работы, проводимой по гранту С1ШР 20012005г., использованы в научно-исследовательской работе по программе фундаментальных исследований ОНЗ РАН «Развитие технологий мониторинга, экосистемное моделирование и прогнозирование при изучении природных ресурсов в условиях аридного климата».

Ключевые слова и словосочетания: математическое моделирование, компьютерные технологии, геоинформационная система, интернет-технологии.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 19 печатных работ, в том числе 16 в материалах школ и конференций, 2 статьи в центральной печати и одна глава коллективной монографии.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем работы 165 страниц, в том числе 12 таблиц и 33 рисунка, 12 страниц приложения. Список литературы содержит 105 наименований.

Результаты работы имеют непосредственное практическое значение в учебном процессе, в рамках программ дистанционного образования, в практике традиционного учебного процесса.

Результаты научных исследований отражены на Интернет-страницах сайта ГИС Центра РГУ, аккумулирующего научные и учебно-методические материалы в области геомоделирования, математического моделирования и компьютерных технологий, ориентированных на современную экологическую проблематику.

6 ходе проделанной работы автором выносятся на защиту следующие положения:

1. Проведены исследования и разработана методика комплексного использования моделей различного уровня сложности и детализации для оценки качества водных ресурсов.

2. Разработана структура и определен состав Банка моделей на основе известных математических моделей (стационарная и нестационарная задача).

3. Разработана компьютерная технология совместной работы банка математических моделей и базы данных о состоянии водных ресурсов в рамках единой геоинформационной системы.

4. Разработана и реализована на примере конкретного региона - бассейна Нижнего Дона интегрированная среда «Водные ресурсы» с использованием Банка математических моделей и ГИС.

5. Разработана и реализована на примере конкретного региона - бассейна Нижнего Дона \¥еЬ-ориентированная ГИС «Водные ресурсы ».

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенное в работе исследование основано на применении аппарата математического моделирования, который предусматривает использование, как классических подходов, так и современного опыта создания и исследования моделей оценки качества поверхностных вод, а также принципов геомоделирования пространственно распределенных объектов.

На основе новейших информационных технологий с использованием ГИС, банка математических моделей осуществлено комплексное научно-обоснованное решение оценки качества водных ресурсов бассейна реки, путем синтеза методов математического моделирования и дополнительных возможностей ГИС. Разработана интегрированная компьютерная информационно-аналитическая среда для совместной работы геоинформационной системы и банка математических моделей. Создана Интернет-ориентированная версия системы, позволяющая осуществлять оценку состояния ресурсов региона.

Результаты в виде комплекса программных средств, включающих вычислительные алгоритмы, реализующие представленные математические модели; набор пространственных методов ГИС, могут быть использованы в Научно-образовательном Эколого-аналитическом центре системных исследований математического моделирования и геоэкологической безопасности Юга России, Департаменте государственного контроля и перспективного развития в сфере природопользования и охраны окружающей среды МПР России по Южному федеральному округу, Главном управлении природных ресурсов и охраны окружающей среды МПР России по Ростовской области (ГУПР по Ростовской области), Донском бассейновом водном управлении, Комитете по охране окружающей среды и природных ресурсов Администрации Ростовской области (Ростоблкомприрода).

1. Autodesk Mapguide для разработки Web приложений http://www.mapguide.com

2. Bottcher А.В., Hiscock J., Pickering N.B., and Hilburn. R.T. WAM-Watershed Assessment Model. Proceedings of Watershed Management: Moving from^ Theory to Implementation. Water Environment Federation, Alexandria, VA. -1998.

3. Brodeur Y., et al. Modelling Geospatial Application Database using the UML-based repositories aligned with international standards in Geomatics // Proceedings of the EigthACM Symposium on Advances in Geographic Information Systems, 2000. P. 39-46.

4. Brown L.C. and Barnwell Т.О. The enhanced stream water quality models QUAL2E and QUAL2E-UNCAS: Documentation and user manual., US-EPA Environmental Research Laboratory, EPA/600/3 87/007, Athens, GA, 1987.

5. Chapra S.C. Surface Water Quality Modelling. McGraw-Hill, New York, NY, 1997.

6. Chapra S.C. and Pelletier, G.J. QUAL2K: A Modeling Framework for Simulating River and Stream Water Quality: Documentation and Users Manual, 2000.

7. Gao X., Soroosman S., Goodrich D.C. Linkage of GIS to a Distributed RainfallRunoff model// Environmental Modeling with GIS. NY: -Oxford University Press, 1993. P. 182-187. ^

8. Esri(Arc/Info).http://www.esri.com/base/products/internetmaps/internetmaps.html

9. Fedra K. and Feoli E. GIS Technology and Spatial Analysis in Coastal Zone Management. EEZ Technology, Ed. 3, 1998. P.171-179.

10. Fedra K. Embedded GIS in environmental management., GIS Development, Vol. 10/2,2006. P.222-316.

11. Fedra K. Water Resources Simulation and Optimization: a web based approach. IASTED/SMO 2005, Oranjestad, Aruba, August 2005.

12. Fedra K. and Jamieson D.G. An object-oriented approach to model integration: a river basin information system example. In: Kovar, K. and Nachtnebel, HP. eds.: IAHS Publ. no 235,1996. P. 669-676.

13. Fedra K. Environmental Information and Decision Support Systems // Informatik/Informatique 4/2000, 2005, P. 14-20. |

14. Fedra K. GIS and simulation models for Water Resources Management: A case study of the Kelantan River, Malaysia. GIS Development, 6/8,2002, P. 39-43.

15. Fedra K. Water Resources Modelling at the River Basin Scale (tutorial presentation) IASTED/SMO 2005, Oranjestad, Aruba, August 2005.

16. Fedra. K. Multi-Media Environmental Information Systems: Wide-Area$