автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.16, диссертация на тему:Мониторинг и управление качеством вод речного бассейна: Модели и информационные системы

! и V.. о п г.'' "5 V

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи УДК.628.54(075.8)

ЦХАЙ АЛЕКСАНДР АНДРЕЕВИЧ

МОНИТОРИНГ И УПРАВЛЕНИЕ КАЧЕСТВОМ

ВОД РЕЧНОГО БАССЕЙНА: МОДЕЛИ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ

Специальность: 05.13.1 б - применение вычислительной техники, математического моделирования и математических методов в научных исследованиях

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Новосибирск -1996

Работа выполнена в Алтайской государственном техническом университете им. И.И.Ползунова

Научный консультант: Президент Алтайского отделения Межу •

дугародной Академии информатизации и академик Международной Академии высшей школы, профессор В.В.Евстигнеев

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Ю.А.Воронин доктор химических наук, профессор В.И.Белеванцев

доктор технических наук, профессор В.Г.Пряжинская

Ведущая организация - Научно-координационный центр "Каспий" . Российской Академии наук .

Защита состоится " С&г&^аЛЛ 1996 г. в /5* часов на заседании Специализированного совета Д 063.98.01 при Новосибирском государственном университете по адресу: 630090, Новосибирск 90, ул. Пирогова, 2, НГУ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НГУ. Автореферат разослан " " Л^арИ 1996 г.

Ученый секретарь Специализированного совета кандидат технических наук ^ЬРЛ) !1и

Ю.И.Еремин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследований. Сегодняшний день отличается ростом антропогенного воздействия на природу, окружающие и включающие человека экосистемы, атмосферу, поверхностные воды и т.д. Воз ¡потает целый ряд экологических и социально-экономических проблем, а в связи с этим - необходимость всестороннего VI точного учета изменений качества воды, использования этих данных в целях рационального природопользования, информирования населения о водных проблемах, создания основ сотрудничества всех конструктивных сил и движений в данной области. Надежные данные экологического мониторинга - необходимая база дня управления качеством воды в регионе. Все большее распространение в водном хозяйстве развитых стран приобретают информационные системы поддержки управленческих решений в области водопользования.

В данной работе на примере комплекса оригинальных моделей и информационных систем изложена технология создания подобных средств мониторинга и управления качеством вод в этой актуальной и перспективной области системного анализа, развивающейся на стыке естественнонаучных, социально-экономических дисциплин и наук о Земле. Применение подобных средств на практике позволяет оптимальным образом осуществлять использование водных ресурсов региона. Специалист, владеющий данными методами, способен разрабатывать детальный текущий и долгосрочный прогноз экологического состояния водных объектов в зависимости от конкретных вариантов складывающихся природных условий и а1ггропогенного воздействия.

Цель работы: разра(5отка эффективных математических моделей и информационных средств, позволяющих перевести систему мониторинга и управления качеством вод речного бассейна на современный информационный уровень, исходя из реальных возможностей органов контроля в области природопользования и действующей нормативной базы.

Работа над диссертацией проводилась в соответствии с планами научных подразделений Алтайского государственного технического университета,;) именно:

• г/б темой 12-49 "Создание региональной системы мониторинга водохозяйственного и экологического состояния бассейнов рек" Республиканской научно-технической программы (РНТП) "Информатизация России') "'" - '

• х/д темой "Создание автоматизированной информационной системы "Эко-прогноз": для поддержки управленческих решений в

области природопользования; на территории Алтайского края", выполнявшейся по заказу Алтайского краевого комитета по экологии и природным ресурсам;

• проектом "Создание информационных систем для управления качеством природной среды на территории Алтайского края", включенным в РНТП "Алтай" по разделу 9 "Применение информационных технологий" и т.д.

Диссертант А. А. Цхай является научным руководителем перечисленных научных тем.

Основными защищаемыми результатами диссертационной работы являются

• реализованный единый комплексный подход к оценке, прогнозированию и управлению качеством поверхностных вод речного бассейна путем применения современных методов математического моделирования и средств информатики в соответствии с сегодняшними правовым и экономическим механизмами использования природных ресурсов в России;

• схема регионального управления качеством вод речного бассейна, созданная на основе действующей нормативной базы, с учетом реальных возможностей органов контроля в области водопользования и водоохраны;

• разработанные

- имитационные модели состояния водных экосистем ряда природных объектов;

- модель качества вод речной системы по основным видам загрязнений;

- оптимизационная модель водоохранной деятельности предприятия-водопользователя в современных условиях;

• полученная при моделировании информация

- о качестве вод бассейна Верхней Оби на территории Алтайского края под влиянием антропогенного загрязнения;

- об оценке сегодняшней эколого-экономической ситуации в водохозяйственном комплексе региона на примере Алтая;

- о процессах биохимической трансформации соединений азота и фосфора, а также формирования кислородного режима в экосистемах семи водохранилищ Сибири и Дальнего Востока;

- о роли основных источников поступления загрязнений и влиянии жизнедеятельности гидробионтов в круговороте и балансах биогенных веществ в водоеме на примере Новосибирского водохранилища.

Научная новизна результатов исследований автора • в области методологии: методология исследования природно-те-хнических комплексов развита путем учета взаимосвязи измене-

ний экологических, экономических и технологических факторов;

• в методической области: для оценки, прогнозирования и управления качеством вод речного бассейна на основе нормативной базы переходного экономического периода применены методы математического моделирования и информатики с использованием в качестве исходных данных стандартной информации государственных служб России;

• в области математического моделирования: создан и использован на практике комплекс оригинальных имитационных и оптимизационных математических моделей, позволяющих, в частности, оценить экологические последствия реализации управленческих решений;

• в области технологий: предложена информационная технология мониторинга и регионального управления качеством вод речного бассейна, реализованная на примере бассейна Верхней Оби на территории Алтайского края.

Методы исследования, использованные в диссертации, базируются на научном потенциале разработок российских и зарубежных ученых (А.Б.Апакяна, Г.Бехрендга, М.Бохме, В.А.Вавилина , О.Ф.Васильева, Г.В.Винберга, Г.В.Воропаева, И.Б.Гордина, А.Б. Горстко, К.Г.Гофмана, В.И.Гурмана, У.Доббинса, Ю.А. Домбров-ского, С.Йоргенсена, В.И.Лаврика, Д.Лаукса, А.В.Леонова, М.П. Максимовой, В.В.Меншуткина, И.Б.Мизавдронцева, Г.М. Мкртчяна, А.М.Ншсанорова, Дж.Орлоба, В.Г.Пряжинской, А.Д. Рикуна, Дж.Стединжера, Г.Стритера, Г.А.Сухорукова, М.Н.Тарасова, Е.Фелпса, Д.Хейта, Б.Хендерсона-Селлерса, И.Л.Храновича, М.Г.Хубларяна, Т.С.Чайковской, А.М.Черняева, Й.Шнура, Д.М. Ярошевского и др.) в исследовании проблем качества вод и использования природных ресурсов, по экологическому и экономико-математическому моделированию.

В работе используются метод имитационного моделирования на основе балансового подхода; методы оптимизации, в т.ч. производственных функций; аппарат дифференциальных и алгебраических уравнений с применением традиционных способов их решений и т.д. Предложенные диссертантом математические модели, структуры баз данных и алгоритмы функционирования информационно-моделирующих средств были программно реализованы соавторами работ на языке программирования Pascal в среде MS DOS.

Результаты, полученные в диссертационной работе, по мнению автора, достоверны и достаточно обоснованы:

Все оригинальные модели состояния водных экосистем и качества воды прошли верификацию по данным наблюдений ряда

лет на исследуемых водных объектах, а в случае прогнозирования свойств проектируемых водохранилищ мидели тщательно проверялись на данных водоемов-аналогов.

Полученные количественные результаты уточняют качественные прогнозы экспертов, а в раде случаев имитационные модели являются единственной возможностью предсказания экологического состояния водного объекта под воздействием антропогенной нагрузки.

Правильность выведенных уравнений, использования стандартных численных алгоритмов сомнений не вызывает, т.к. в работе последовательно применялись принципы типа законов сохранения, а верность полученных решети», соответствующих краевых задач постоянно проверялась на тестовых задачах, в том числе для предельных случаев.

Практическая ценность полученных результатов заключается в том, что они являются теоретической и методической основой решения важной народнохозяйственной задачи прогнозирования состояния водных экосистем и управления качеством вод речного бассейна, и отражена в актах об использовании разработок А.А.Цхая в исследования бассейна Верхней Оби на территории Алтайского края; состояния экосистем Новосибирского, Колымского, Крапивинского, Усть-Среднеканского, Катунского, Верх-не-Урюпского и других водохранилищ (см. Приложите к диссертации).

Внедрение результатов работы осуществлялось в Алтайском филиале при АГТУ РосНИИ информационных технологий и систем автоматизированного проектирования Миннауки и технической политики РФ, Институте водных н экологических проблем СО РАН, Алтайском краевом комитете экологии и природных ресурсов и т.д. в соответствии с заданиями госбюджетных и договорных программ и показало эффективность и надежность разработок на практике.

Апробация работы. Научные результаты А. А. Цхая доложены им на семинарах Алтайского государственного технического университета, Вычислительного центра СО РАН, Института водных и экологических проблем СО РАН, А.гггайского государственного университета, школах-семинарах Института водных проблем РАН, НИИ прикладной математики и механики Ростовского государственного университета и т.д.

Основные результаты диссертации докладывались им также на Международной школе "Применение компьютера в гидротехнике и охрана окружающей среды" (Болг ария, Варна, 1990), Всесоюзном совещании "Гидроэкология-90" (Ленинград, 1990), 29-ой

Международной конференции по экологическим проблемам реки Дунай (Киев, 1991), Первой Всесибирской конференции по математическим проблемам в экологии (Новосибирск, 1992), 3-ем Международном симпозиуме "Современные проблемы реологии, биореологии и биомеханики (Москва, 1992), Всесоюзной школе-семинаре "Моделирование гидроледотермических и гидрохимических процессов в реках, озерах и водохранилищах" (Новосибирск,

1992), Международном симпозиуме по гидрологическим, гидрохимическим и гидробиологическим проблемам трансформации и транспорта загрязнений в водных экосистемах" (Ростов-на-Дону,

1993), 2-ой Всероссийской научной конференции "Эколого-экономические проблемы безопасной жизнедеятельности" (Новосибирск, 1993), 2-ой Всероссийской конференции по математическим проблемам экологии (Новосибирск, 1994), Международном конгрессе "Вода: экология и технология" (Москва, 1994), Международном совещании в рамках научной программы НАТО "Восстановление нарушенной окружающей среды в речных бассейнах" и Международной конференции "ГИС и дистанционные методы в исследованиях качества воды в промышленных регионах" (Верхняя Волга, 1994), Международной конференции по управлению водными ресурсами "Жизнь с водой" (Нидерланды, Амстердам,

1994), Международном симпозиуме "Природные и социально-экономические последствия разработки и управления водными ресурсами" (Москва, 1995), Республиканской научно-практической конференции "Региональные проблемы информатизации" (Барнаул,

1995), Всероссийском совещании "Водные проблемы и пути их решения в современных условиях" (Звенигород, 1995), Международном симпозиуме по управлению водными ресурсами на урбанизированных территориях" (Швеция, Лунд, 1995) и др.

По теме диссертации опубликовано 23 работы, в том числе монография (10 п.л., вышедшая в издательстве, включенном в соответствующий перечень, где по условиям ВАК могут быть опубликованы основные результаты докторской диссертации). Текст диссертации состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованной литературы (151 наименование) и приложения, состоящего из 5 актов о использовании результатов. Работа изложена на 268 стр., включает 23 рисунка и 7 таблиц.

Значение работы. По мнению автора, в представленной диссертации для проблемы мониторинга и управления качеством вод речного бассейна изложены научно-обоснованные эколого-эконо-мические и информационно-технологические решения, внедрение которых вносит значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса в данной области.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе изложена концепция экологического мониторинга речных систем, как многоцелевой иерархической информационной системы, включающей повторяющиеся наблюдения, оценку и прогноз антропогенных изменений качества вод и состояния водных экосистем. Рассмотрено современное состошше вопроса на региональном уровне, сформулированы цели и задачи мониторинга, структура его информационной базы, содержащая различные функциональные блоки и подсистемы, а также инструментальные средства, в том числе математические модели.

Вопросы формирования стока химических веществ на водосборном бассейне занимают одно из центральных мест в анализе состояния водных ресурсов. Вместе с тем, в отечественной литературе явно недостаточно освещена важнейшая в научном и практическом смысле тема - разработка методов оценки стока химических веществ с различных ландшафтных участков речного бассейна. Особенно заметен пробел по одной из самых актуальных в современной гидрологии проблеме неточечных источников загрязнений, которые часто, с одной стороны, являются наиболее трудным объектом для контроля и ограничения, а с другой - часто существенным образом влияют на формирование распределения загрязнений в водной среде. Поэтому при моделировании состояния водных экосистем и качества вод речного бассейна (см. далее гл.3 и 4) обязателен учет вклада неточечных загрязнений в баланс веществ рассматриваемых систем. Во второй главе представлен обзор, выполненный автором во время его работы в ИВЭП СО РАН, наиболее известных и зарекомендовавших себя в на практике, прежде всего в исследованиях, организованных Агентством охраны окружающей среды (ЕРА) США, расчетных методов оценки стока химических веществ.

Выделено две части: первая - сводка эмпирических расчетных методов, широко используемых на практике. Как правило, эти методы не имеют строгого обоснования и весьма слабо связаны с воспроизведением реальных механизмов природных процессов. Данный пробел восполняется в этих методах использованием статистической обработки большого объема данных мониторинга для различных ландшафтных типов территорий и гидрологических периодов. Такие методы просты в использовании, требуют сравнительно малого перечня исходной информации и зачастую достаточны для поддержки многих управленческих решений, предварительных прогнозов и проч.

Вторая часть содержит концептуальные модели, основанные

на компьютерной имитации основных процессов на водосборе. Почти все такие модели имеют три составляющих их блока:

1) водно-балансовую подмодель, описывающую формирование водного стока;

2) эрозионную подмодель, характеризующую процессы образования и миграции взвешенного материала;

3) химическую подмодель, воспроизводящую трансформацию веществ для конкретных условий.

Концептуальные модели служат, в основном, для исследовательских целей и нуждаются в гораздо более детальной исходной информации. Как правило, необходимо решать специальные проблемы, связанные с верификацией концептуальной модели для конкретного объекта. Зато, если удается преодолеть названные трудности и адаптировать модель в конкретном случае, возникает принципиальная возможность получения детальных и обоснованных оценок и прогнозов хода основных процессов в столь сложных природных системах, которыми являются водосборный бассейн или даже конкретное поле, для различных вариантов внешних воздействий, в том числе антропогенных. Такая выходная информация является именно экологической, поскольку характеризует природные процессы во взаимосвязи и комплексно.

Разработанная проблемно-ориентированная ГИС речной сети Алтайского края (см. гл.31 является инструментом оценки и прогнозирования качества воды в составе АИС "Гидроменеджер".

Информационно-справ очный блок состоит из текстовой и картографической баз данных (БД), а также БД, полученных в результате моделирования.

Текстовая БД предназначена для хранения показателей состояния и качества вод речного бассейна. Информация этой части состоит из файлов, характеризующих: наименование водных объектов; список гидрологических постов; гидрологические наблюдения; список пунктов контроля качества воды; гидрохимические наблюдения; наименования предприятий; данные о сбросах предприятий; наименования загрязнителей и хранится в файлах формата DBF СУБД dBASE III+.

Картографическая БД состоит из следующих файлов: списка створов рек с их координатами; координат границ и населенных пунктов Алтайского края. Координатная часть недоступна пользователю, хотя имеется возможность вводить данные о новых гидрологических постах и пунктах контроля качества воды на имеющейся речной сети, задавая расстояние до устья речного объекта.

Гидрологические и гидрохимические данные для модели выбираются из файлов текстовой БД. В результате моделирования

создается БД, используемая для просмотра и анализа полученных результатов расчетов по реке Оби и ее притокам: рекам Алей и Чумыш, на берегах которых находятся предприятия - основные загрязнители речного бассейна. Эти файлы используются непосредственно моделирующей программой, корректировке не подлежат и после сеанса работы могут быть удалены.

Модель качества вода воспроизводит пространственное распределение в реке содержания химических показателей: (1) БПК5, (2) дефицита кислорода, (3) взвеси, (4) ХПК, (5) аммония, (6) нитритов, (7) нитратов, (8) СПАВ, (9) нефтепродуктов, (10) фенолов, (11) гексахлорана, (12) хлоридов, (13) сульфатов, (14) магния, (15) кальция, (16) линдана, (17) железа, (18) меди, (19) свинца и (20) фосфатов для восемнадцати характерных периодов года.

При математическом моделировании качества воды в водотоках сегодня, как правило, применяют детерминированный подход (см., например, №капогоу е1 а1, 1994). Такой подход вполне имеет право на существование, когда целью моделирования является оценка некоторых усредненных в течение достаточно продолжительного периода времени величин, характеризующих загрязнение реки, для последующего использования в моделях управления.

В таком случае уравнения моделей самоочищения в квазистационарном одномерном горизонтальном приближении могут быть записаны как

где 2 - расход воды, м^ /с; IV - площадь поперечного сечения водотока, м2; х - продольная координата вдоль руша, м; Е - коэффициент продольной дисперсии, м2/с; Сг" - концентрация /-того химического соединения, г/мЗ; / е //..Л?/, N = 20 - число видов загрязнений; Щ - член, характеризующий некошжрвативность рассматриваемого ¿-того соеданения, г/мЗ-с; С?/ - боковая нагрузка на единицу длины водотока, характеристика неточечных источников загрязнений, г/м-с.

Величина Я/ в (1) определена по типу реакции первого порядка с коэффициентами неконсервативности К{.

Н, = • С,- для 1=3,4,8-И9; Н1 = -{К, + К3) • Сх. (2)

Н2=-К2Н2+К1-с, +Рг-К5 -с5+ Р2 ■ к6- с6

где Кз - коэффициент седиментации, с-1; Р} и Р2 - коэффициенты пересчета потерь кислорода при нитрификации; У - плотность потока кислорода, обусловленный поглощением донными отложениями и фотосинтезом, г/м2«; В -ширина свободной поверхности водотока, м. , . ; 5 <

При расчете трансформаюдаи азотных соединений (7=^7,). используется следующая схема нитрификации (см., например, Васильев и Еременко, 1980)

Н5 = -К5 -С5+Рг-К* •с4, Яб = -К6 С6+К5 Су (3); Н1 -- —К-] С7 +К6-'С6

где Рз - коэффициент пересчета для процесса аммонификации. Процесс М1шералйзации фосфора описывается как .

Н2й = ~кгй • Сго 4-Р4 • Кц • С4, (4)

где Р4 - коэффициент пересчета в фосфорные единицы.

, Температурная зависимость коэффициентов'задана соответственно, при /=3 и всех остальных значениях индекса »как '

К3(Т) = К03, Ъ = К01 -АТ'20, . (5)

где Т.- температура воды, °С, задаваемая из базы данных. Константа А принимается равной 1,05, а зависимость величин К0\ от гидрологических характеристик определяется при параметризации модели. Величины /у оцениваются в соответствии с реальными стехиометрическими соотношениями.

Величина ф может быть определена как

=Са-// (6)

где .- содержание (-того: соединения в водах, характергоупщхся величшюй боковой приточности д (в случае д<0 имеем С#> = С/). При наличии притока (точечного источника загрязнений) с

постоянной интенсивностью в течение расчетного периода величина С/ в узде впадения g притока к определяется как

С-

а

■ го --'."-а а а

кде г,

о а

те'г-'оьЧ Го 1С

с о

(7)

П.!

а

... и концентрация и расход притока, впадающего в

реку. Знак "+" отливает величину, параметра ниже узла впадения рритока от те|с значений, которые выше. | = .Г £ Гра1шчные условия имёют'ЬПД 1

сЛх0) = С,

О!'

с/С/ ах

(Х1) = 0

(В)

где х0 и х/ - соответственно, начальный и замыкающий створы моделируемого участка реки.

, Используемая гидравлическая модель представляет собой вариант, одномерной системы уравнений для установившегося неравномерного движения воды с учетом боковой приточностй в не-призмагическом русле.рски (Сдицын и Соколова, 1990). Алгоритм использования этой модели в рассматриваемом случае подробно описан в публикациях (Цхай и др., 1994; Цхай, 1.995 и др.)

В данной работе использован вариант модели качества воды, рассчитанный на использование стандартных данных организаций Государственной службы наблюдений России в качестве исходной информации. , . . ,, , , . Для определеюгя левого грайичного условия" в (8) ^необходимо :щд&^3^1центрацш§идаЕ|>Ш1ента в рекемдада моделируемого -учас^са. $1од^бный(^ке вдпрос возникае| пр$> за^шп^концентоа-§прфокфзод$фа|§иш§ в г^аве ^ 6 ¿^ § ;1| | ¡Про^лемр $ том, чт^гсцлу реальной стрхас^ичнус^и речных троцессовкажДЗе конкретное щм%5еннс|е значение ковдешраш»! шмического '<юедин< ния в реке не более чем отдельная редяи-шция случайной ве: ичины. П^з^с му для задания с^ржания§ин-тредиента в' качестве входнсй? информации модели Для конкретных створа и периода гидрологического года необходимо установить значение корреляции множества значений наблюдавшихся концентраций от величин соответствующих гидрологических факторов (расхода, темпдэатуры и т.п.). В случае отсутствия зависимости или низкой корреляции используется средняя величина, иначе необходимо учитывать соответствующую зависимость. При от-

сутствии первичной информации по качеству воды в притоках реки в расчетах использовались значения фоновых концентраций -стандартных показателей Государственной службы наблюдений.

; В качестве исходной информации о точечных источниках загрязнений в системе "Гидроменеджер" были использованы данные; о фактических массах загрязнений и объемах сточных вод пром-предприятий Алтайского края за 1993 г. !

:■'■ Другой особенностью нашей работы является проведение калибровки модели качества воды по данным наблюдений именно на моделируемом участке соответствующего речного бассейна Верхней Оби на территории Алтайского края.

Для калибровки модели используется аналитическое решение дифференциальной задачи (1-6, 8) на участке реки. При идентификации использованы данные наблюдений за гидрохимическим режимом на участке реки Оби, ограниченном створами: 7 км выше и 13,7 км ниже г.Барнаула в 1984-88 п\ £

При калибровке было принято упрощающее предположение об однородности распределения источников загрязнения по длине ' рассматриваемого участка и об их постоянной интенсивности в течение расчетного периода. Это достаточно грубое упрощение, однако, не является слишком далеким от реальности. Основные источники загрязнений на этом урбанизированном участке - промышленные и коммунальные стоки - в целом, относительно постоянны в течение расчетного периодами рассосредоточенм по берегу реки.

Значения параметров К0и Кз и У, входящих в уравнения (1-6, 8), были оценены с помощью алгоритма Маквардга - нелинейного метода наименьших квадратов (см., например, Цхай и др., 1993).

Для оценки адекватности модельного описания данным наблюдений использопался статистический критерий -Тейла (ТЬей; 1971)

-ЪУ, (9) -

р _ А'-г»....—-•—--—. _ -V - - . : ■

г л

где п - число наблюдений; Х{ и У/ - соответственно, расчетные и* " измеренные величины содержания веществ. « " ч

Полученные значения параметров приведены в работах (Цхай и др., 1994; Цхай, 1995 и т.д.). На рис. 1 приведены результат, ты сравнения данных расчета и наблюдений для ряда рассматриваемых видов загрязнений.

«И-80

з 1 -

ст з.оо,

т -

и -

л*

1.50

БПК, мгул

13.6

Кислоров, *АГУЛ

0.00

• ■

■ I

1.50 Вз&есь, мг/|П

3.00 г 4.50

. НаблюЭаемые

т—I—I—г\ I

9.2

э 4В.0

э зс

а 35.0 -и а

П>

1 25.0

-1-1-Г

180 270

НаблюВземио

Кэлииий, г/п

15.0

15.0

25.0

Т-135.0 45.0

НаблюЭаеиые

Г-Т—г~

и.^ : 1з.б

НаблюЭаемие Нитраты, нгЫ^л

„•»»-Г - •

т—1—I—|—I—г

0.<££ 0.99

Наблюбаеиыв

Железо, мГУЛ

0.33

0.00

;о,оо

0.<5<5 0.99

На£люЗаемые

Рис. 1. Сравнение данных, расчетов и наблюдений дм ряда веществ в р.Оби в районе" г.Барнаула

Концентрации Cfo в боковой приточности на рассматриваемом участке бассейна Оби определены с помощью регрессионного метода, изложенного в работе (Behrendt & Böhme, 1992) по виду зависимостей концентраций и нагрузки от расхода в замыкающем створе.

Численное решение уравнений модели осуществлено путем модификации метода прогонки с организацией нескольких итерационных процессов. В результате вычислений создается база данных моделирования, которая используется для изображения пространственно-временного распределения концентраций ингредиентов (см. рис.2). Далее становится возможной оценка влияния природных и антропогенных факторов на качество воды в реке.

В п.3.3 изложены результаты прогноза качества воды для разных проектных вариантов Богучанского водохранилища на основе модификации, предложенной Доббинсом, модели РК-БПК в приближении кинетики первого порядка. При этом для калибровки модели использованы данные наблюдений за качеством воды Усть-Илимского водохранилища, сходного с проектируемым Богучанским по физико-географическим условиям, расположенного в той же природной зоне, имеющего близкие по величине значения характерных параметров.

По результатам проведенных модельных расчетов сделаны следующие выводы:

• способность вод реки Ангары к самоочищению за счет деструкции органических загрязнений в настоящий момент следует признать незначительной;

• создание Богучанского гидроузла приведет к некоторому снижению концентрации растворенного кислорода в поверхностных водах, но не ниже ПДК для водопотребления, для обоих проектных вариантов с нормальным подпорным уровнем (НПУ) 173 м БС и 208 м БС. Более предпочтительным, с точки зрения качества воды, выглядит проектный вариант с НПУ 208 м БС. при реализации которого произойдет значительное уменьшение концентрации лепсоокисляемой органики, вплоть до уровня ПДК в течение всего рассматриваемого периода. Реализация проектного варианта с НПУ 173 м БС существенного влияния на динамику БПК5 в водах реки Ангары не окажет.

Поступление в водные экосистемы загрязняющих веществ вызывает ответную реакцию водных биоценозов, а проходя через пищевую цепь влияет на здоровье людей. Условность оценки качества воды по показателям ПДК породила необходимость развития многообразия биологических оценок состояния водных биоценозов. В отличие от гидрохимических методов, позволяющих

И иРасчет сСхемы ыОкно пПаранетры

*

Период

«85 год 1?:49:0б

10.6000 ^ 11.4418 12.0636 12.7253 13.3671

1Ч11-Х Выход Р1Й Меню ( Схема Алтайского иная_

;Рнс. 2. Результаты расчета качества вод речного бассейна на основе АИС "Гидроменеджер"

судить преимущественно об интенсивности антропогенного пресса по концентрациям отдельных поллютантов, гидробиологические методы дают возможность комплексно судить об интегральной ответной реакции »одной экосистемы на антропогенное загрязнение.

В четвертой главе изложена технология построения математических моделей биогеохимического цикла азота и фосфора, которая может быть использована для предварительных оценки и прогноза состояния экосистемы водоема.

В настоящее время на этом пути создано достаточно много эффективных моделей водных экосистем (см., например, Йорген-сен, 1985; Леонов, 1986, 1 >89 и др.). Но для проведения расчетов по этим моделям необходимы данные специальных натурных наблюдений, которые зачастую отсутствуют в конкретных условиях.

Прикладные эмпирические модели, рассчитанные на минимальный перечень исходной информации, по построению применимы лишь для интерпретации наблюдавшихся данных. Попытки использовать такие моде;щ для прогнозирования зачастую приводят к нереалистичным результатам.

В связи с этим, актуальной задачей для прикладных целей является разработка моделей водных экосистем, которые, с одной стороны, должны быть имитационными, т.е. в них должны воспроизводиться природные биогеохимические циклы трансформации соединений. С другой стороны, вся входная информация к моделям должна оцениваться по стандартным данным Государственной службы наблюдений России. Такая модель "Биоген" сформулирована в данной работе, приведены примеры ее использования для конкретных водных объектов (пункты 4.1 - 4.6).

В п.4.1 приведено описание Новосибирского водохранилища, использованного для калибровки моделей водных экосистем.

Всего оцениваемых переменных модели "Биоген" - тринадцать. Из них восемь компонентов модели относятся к водной среде: азот аммонийный N114 (номер переменной 1), нитритный N02 (2), нитратный N03 (3), биомасса фитопланктона И (4), взвешенная Б (5) и растворенная С (7) органика в фосфорных единицах, ортофосфатный фосфор I (6), растворенный кислород 02 (8). Пять компонентов относится к донным отложениям: органика СВ (9), интерстициальные фосфор РВ (10) и азот N6 (12), наконец, сорбированные на твердой фазе фосфор РБ (11) и азот № (13).

В озерах и водохранилищах часто нельзя пренебрегать эффектами пребывания выделенного объема воды и трансформации химического соединения на конкретном участке водоема, иными словами, необходим учет нестационарности динамических процес-

сов.

Уравнения модели, описывающие тр,информацию соединений в водной толще в нульмерном приближении, имеют вид

d(P'dtW) = W Rt+Q+C+i -ß_ Ct +Jt П + GfL

где С/ - концентрация ¿-того компонента в водохранилище; W -объем водохранилища; t - время; Щ - скорость биохимической трансформации соответствующего соединения Q; и C+j - расход реки и концентрации компонентов в ней; Q. - расход попуска из водохранилища; Jj • массовые потоки на межфазной поверхности; Г2 - площадь зеркала водохранилища; G/ - боковая нагрузка, характеризующая поступления с берег ов; L - длина водохранилища.

Полная запись членов Rj приведена в диссертации, в автореферате же на рис.3 отображены основные учитываемые в модели взаимодействия компонентов экосистемы. Для определения значений массовых потоков на границе "вода-дно" реализован специальный модельный блок, описывающий трансформацию биогенов в донных отложениях

При подготовке входной информации для модели использовались следующие упрощающие предположения.

Первое: считалось, что стехиомстрические отношения содержания углерода, азота и фосфора в компонентах экосистемы постоянны и равны 106:16:1 (Cordeiro et al., 1974; Stumm, 1975).

Второе: содержание углерода в неживой органике компонентов экосистемы составляет около половины от общего веса (см. Справочник по гидрохимии/ подред. Никанорова, 1989).

Третье: основной источник взвеси в речной воде - частицы почвы, смытые с водосборной площади. А потому содержание органики во взвеси на входе коррелирует с ее содержанием в поверхностном слое доминирующего на водосборе типе почвенного покрова. Считалось, что содержание органики составляет 10% от общего веса почвы. Для водоема, где основной источник взвеси -отмерший планктон, такое предположение неприемлемо.

Неизвестные параметры модели "Биоген" были определены в пределах интервалов характерных значензщ минимизацией значений статистического критерия Тейла ддя каждого из компонентов водной экосистемы.

Значение критерия Тейла для аммонийного азота составляет

Выход

02

т

Ш4

N02

Т

Т I

N03

1_ X

i—

_] Г т

I-1 ^

Вход

РВ

ИВ

СВ

СЫ

N5

I

(

I

Рис. 3. Схема биохимической трансформации соединений азота и фосфора в модели "Биоген"

- 0,28, для нитритного азота - 0,13, для нитратного азота - 0,36, дня биомассы фитопланктона 0,37, для фосфатов - 0,19, для растворенного органического вещества - 0,13 и для кислорода - 0,12. Эти значения вполне удовлетворительны для экологических моделей (см., например, Леонов, 1986).

Величина приточности с бортов водохранилища в 1981-82 г.г. составляла не более 6% от водного стока реки. Специальные расчеты для случаев, когда массовые потоки азота и фосфора, поступающие с бортов водохранилища, находятся в пределах 6±6% от биогенной нагрузки реки, не выявили существенной разницы в годовой изменчивости компонентов модели.

Изучение функционирования экосистемы Новосибирского водохранилища в 1981-82 гидрологическом году с на основе применения модели "Биоген" привело к следующим выводам:

• исследуемое водохранилище имеет установившийся трофический статус олиго-мезотрофного типа. Динамические процессы трансформации биогенных соединений косят сбалансированный по сезонам характер;

• наиболее значимый источник биогенной нагрузки на водохранилище (более 85%) - основной поверхностный приток - река Обь. На период паводка приходится более 70% годового поступления азота и фосфора с рекой. "Вторичное загрязнение" со дна составляет менее 10% от общего поступления биогенов;

• водохранилище оказывает сглаживающее влияние на вариацию содержания биогенных форм в речном стоке. Оно задерживает более 15% азота и около 20% фосфора, переносимых с рекой. Вынос взвеси с попуском составляет примерно одну седьмую часть от поступления с притоком;

• наиболее продуктивным для фитопланктона в водохранилище был период с июня по август. Интенсивность деструкционных процессов в период открытой воды была относительно равномерной.

• основным фактором формирования кислородного режима водохранилища было его высокое содержание в реке Обь в течение всего года.

В рамках плановых рабрт ИВЭП СО РАН было осуществлено использование модели "Биоген" для оценки влияния сработай Новосибирского водохранилища до уровня мертвого объема (УМО), а также на 1, 2 и 3 м ниже УМО на качество воды в меженный период, до наступления паводка, заполняющего водохранилище до НПУ. В результате увеличения расхода попуска через ОбГЭС в зимнюю межень изменятся условия функционирования ;

экосистемы Новосибирского водохранилища. Встает вопрос: как это повлияет на качество воды, сбрасываемой в нижний бьеф?

На основании проведенных модельных расчетов были сделаны следующие выводы:

• определяющим фактором динамики концентрации вещества в Новосибирском водохранилище при изменении зимнего меженного стока является процесс разбавления;

• предложенные варианты понижения уровня сработки Новосибирского водохранилища в зимнюю межень на 1-Зм ниже У МО приведут к изменению средних по объему концентраций веществ, динамика содержания которых моделировалась, во второй значащей цифре, т.е. влияние этого фактора незначительно.

При создании водохранилища в реке существенным образом меняется гидрологический режим, и, как следствие, изменяются условия функционирования водной экосистемы, а значит гидрохимические и гидробиологические показатели.

Одним го важнейших требований на этапе принятия решения о зарегулировании реки является наличие обоснованного конкретного прогноза состояния экосистемы в проектируемом водохранилище. Особое значение при этом имеет проработка вопросов о будущем характере изменчивости кислородного режима и легко-окисляемой органики, уровне евтрофирования и особенностях круговорота соединений азота и фосфора, что регламентируется требованиями к качеству воды в водоемах и водотоках.

В п.4.6 приведен прогноз о состоянии экосистемы в проектируемом в Магаданской области на реке Колыме Усть-Средне-канском водохранилище после периода становления, выполненный на основе применения модели "Биоген".

В модельных расчетах были использованы характеристики скоростей природных биохимических процессов, оцененные по данным лабораторных и экспериментальных исследований, полученные при моделировании процессов формирования качества воды в Новосибирском водохранилище, которое имеет сопоставимее с Усть-Среднеканским технические параметры и относится к тому же р'уйюв ому, речному типу.

Очевидные различия в жизнедеятельности экосистем водохранилищ были учтены тем, что при моделировании использовалась входная информация (поступление веществ в водоем, водный и термический режимы, седиментация, взмучивание и т.д.) именно для проектируемого водохранилища из анализа условий его функционирования.

Для верификации модели были проведены специальные расчеты по данным Колымского водохранилища за 1987 год, которое

находится непосредственно выше предполагаемого расположения Усть-Среднеканского по руслу реки Колымы и может быть использовано в качестве аналога проектируемому как по физико-географическим, так и по морфометрическим признакам. Такой подход позволяет корректно учесть при прогнозной оценке динамики будущей экосистемы всю имеющуюся информацию о проектируемом водном объекте реке Колымы.

По результатам расчетов для средневодного года по модели, характеризующей состояние Усть-Среднеканского водохранилища после периода становления при современном уровне поступления в него биогенных веществ, были сделаны следующие выводы:

• проектируемое водохранилище будет относиться к олиготроф-ному типу и не будет существенно отличаться по содержанию фитопланктона от Колымского водохранилища в современном состоянии. Средняя по объему водохранилища биомасса фитопланктона в летний период будет достигать 0,13 мг/л.

• содержание нитритов и нитратов в водохранилище будет изменяться в пределах ПДК. Превышение ПДК по аммонийному азоту в отдельные периоды может достигать двух-трех раз.

• средняя по объему водохранилища концентрация кислорода в течение года будет колебаться в пределах 10,0-13,5 мг/л, что существенно выше значения ПДК.

• содержание БПК5 в водохранилище будет изменяться в пределах ПДК практически в течение всего года, кроме периода наибольшей интенсивности вегетации фитопланктона в августе.

В приведенных примерах для моделирования экосистем водохранилищ в качестве предварительной оценки использовано нульмерное приближение, применение которого недостаточно, например, для решения задачи, приведенной в пункте 4.7 , по оценке евтрофированяя нижнего бьефа водохранилища-охладителя для различных вариантов его эксплуатации на основе воспроизведения цикла биохимической трансформации соединений фосфора в водной экосистеме.

При проектировании в районе КАТЭКа (Красноярский край, Кемеровская область) Березовской ГРЭС-2 возник вопрос об экологических последствиях эксплуатации водохранилища-охладителя, в котором будет интенсивно развиваться процесс евтро-фирования. Теплая, сильно загрязненная биостоком (фитопланктон и бактерии) и биогенами вода будет сбрасываться из охладителя в нижний бьеф, реку Урюп (приток р.Чулым).

Целью работы были сравнение экологических последствий реализации различных вариантов эксплуатации проектируемого гидроузла. С помощью методов математического моделирования

было необходимо оценить динамику развития планктона в нижнем бьефе Верхне-Урюпского гидроузла, влияния биостока на качество воды р.Урюп ниже водохранилища-охладителя.

Для это был выбран следующий подход. Рассматривалось изменение под влиянием комплекса природных и .антропогенных факторов концентраций компонентов экосистемы , в единичном объеме воды^ перемещающемся с русловым потоком в, нижнем бьефе водохранилища. Использовалось достаточно естественное предположение о том, что функциональные свойства, будущего биоценоза нижнего бьефа на участке реки Урюп до впадения в реку Чулым под влиянием постоянного антропогенного пресса будут близкими к таковым в евтрофном водоеме. Такое предположение позволяет оценить наихудший из возможных вариантов развития евтрофирования в нижнем бьефе Верхне-Урюпского гидроузла. ' *, '..<„,■!".

ТТрй модельной оценке были исследованы случаи реализации трех проектных вариантов. Имитационная модель евтрофирования водных объектов Верхне-Урюпского гидроузла была основана на синтезе химико-биологических представлений о механизме и последовательности стадий трансформации форм фосфора в водной толще (Леонов, 1986) и донных отложениях (Цхай и др., 1991). В целом, Имитационная модель учитывает те фракции фосфора и те процессы, которые имеют первостепенное значение в динамике экосистемы, в развитйи фитопланктона й при евтрофировании водных объектов - продукцию фитопланктона и потребление водорослями фосфатов, бактериальную продукцию и минерализацию растворенного органического фосфора, метаболические выделения фитопланктона и бактерий, их отмирание с образованием детрита и его последующим разложением, процессы трансформации в донных отложениях, а также обменные процессы биогенным веществом в слое "вода-дно".

Уравнения биохимической трансформации соединений фосфора в водной толще имеют вид:

г1(уу • С,) д(и ■ мг - С,)

а' дх -ъ-^+л-в+ъ

где С/ - содержание компонентов водной экосистемы в фосфорных.

единицах гР/мЗ, причем 1=1 для биомассы бактерий; 1=2 для биомассы фитопланктона; ¡=3 для растворенного органического фосфора; х-4 для растворенного минерального фосфора; 1=5 для взвешенного, детритного фосфора; Я/ - скорость трансформации

V . ■ л,• ■ - " '.'■•-ЛУ.' !

Г.: "л " " |

каждой фракции фосфора, г/м^чут; J^ - поток /-той фракции фосфора в водную толщу донных, отложений, г/м2-сут; С?/ - скорость поступления компонентов с боковой нагрузкой внутри участков, связанной со смывом и сбросами» г/м-сут. .........., , , ,

В прогнозных расчетах процесса евтрофирования в объектах Верхне-Урюпского гидроузла использовались значения коэффициентов модели,' характеризующие интенахвность биохимических процессов: потребления, выделения, смертности; метаболизма Планктона И др. - в евтрофной водной экосистеме оз.Балатон, испытывавшей, как известно, интенсивное антропогенное загрязнение.

Расчеты проводились для условий очень маловодного года, что позволило оценить наиболее неблагоприятный случай динамики параметров евтрофирования в проектируемом водном объекте; Для" оценки изменений условий функционирования водных ' экосистем объектов Верхне-Урюпского гидроузла в течение года были использованы результаты численного моделирования гидротермиЧеского и:^шико-биоцогическ»го, режима водотоков (Белолипецйий, Туговиков и Цхай, 1995; Цхай, 1995 ). В результате былпполученЫслед\тощие выводы: [-,•> -х-

• реализация* йроекттак вариантов 2а, д приведет к примерно одинаковом Последствиям по степени влития на евтрофирования нижнего бЬефа, и более предпочтительна, чем вариант 1. При реализации вариантой 2а шш. 2б биомасса фитопланктона в замыкающем сТворе снизится вдвое по ^сравнению с водохранили-щем-охладйгелеМ; но тем не менее на два и более порядка может превьппатЬгсовршенш>щ уровень евтрофгфования р.Урюц;

• содержание тетерйтрофных бактерий в нижнем бьефе Верхне-Урюпского гидроузла в случае реализации вариантов 2а или,26 будет примерно Вдаое ниже, чем в случае варианта 1, что характеризует болеб блаГоПриятнуто, .хотя и дсстрч)чно напряженную мшфобиологическую ситуацию. ; , .

В пункте 4.8 путем описания фукциинирования таких видов планктона^ак бахтфйи,"- фота^оощгадоегон и-.простейшие >о ' взаимодецстнщ!, с абиотической частью водной экосистемы в исследованиях, ДВЭП РДЙ ¡^ы:ти ,использованы результаты"- моделирования поведения будущей . ¡экосистемы проектируемого Крапивинского водохранилища (Цхай и Леонов, 1995).; ;;

' В пятой главе изложены результаты разработки и испЬльзо-; вания модел11.1н>воде11ия водопоз^ебителя в условиях платы за загрязнение во^ и частичной, компенсации его водоохранной 'дёя- ' тельности. _ г, ..„•.■ " " :

Эколого-экономическая модель предприятия сформулирована в соответствии с современной нормативной базой в России. Входными данными для модели является стандартная информация о технико-экономической деятельности предприятия. Прёдприя-

нормативное,себ«стоимо(^ь ео^продук-ции, а'свёрхнЬрмэтивш^

предприятия-нарушителя. * - - ' ""

рге еКрш^ишотадалвн&ет^^жш-шййсшум^^чзйстйй'т^йбьим <2^-предприятия в зависимости от уровня финансирования ¿го водоохранной деятельности йз возможных й<Лгочникрв. Варьируемой г г. .-переменной является] - лойер набораводоохранных мероприятий »1,;«;'. со стоимостью Д№> простотЪт задача ^цпшизации ^формулирована в случае, когда все мероприятия финансируются как капи-• : тальйысвложения. , . .,. '

Тогда решаемая задача сводится к следующему, виду,...

Фу = В у - Ц - /у - бу та х " ¡у (10)

при неотрицатеЯйш* Ху 1у, Fj, Gj, Bj, Nj. ; . ^ . t . . .

Здесь Bj - балансовая прибыль предприятия; ^- - "добровольные" затраты предприятия, из прибыли иа водоохранные цели; Tj -субсидии регионального' экол«15реского фонда (РЭФ) предприятию; член v-JCi характеризует амортизационные отчисления на

фоЬз^л^^р^д^^ирэ^адЙаМШй0 фосфоЬэ: КИ ласглч фнюиланкхоня'. Ига ЬзсхвоЬешош obLtmiwccKOLO фос-f/vrtHjry4j-/pi.b\'/i-j' ubiwew i="\ Ига (jiiowsccpi (гтк.юЬнп! 1=3 tfira gpjo)

г/Гс (М - сойсЬжанне колшшииов boHhoii экоснстшР1 в фосфоЬнпх

причем платежи за нормативное загрязнение Р; и сверхнорма-

гл at _ . . J „ „

гивное загрязнение Fj вычисляются из соотношении р _ур ,

i

Fj = min[I^7; c(Bj - V;)] Ь^пп^х); MajJ;

i

Fy(x) = Kj max{0; minfm^-M^; M^-A/^-/} +5/Qmax/0: '"¡j- M5,/

Здесь с - предельный размер платежа за сверхнормативное загрязнение в процентах от налогооблагаемой прибыли; Ь,- - ставка

платежей за нормативное, , а Щ - за сверхнормативное загрязнение 1-тым видом загрязнений; И'М/,, --величины предельно допустимого и временно согласованного сбросов ¿-го "ингредиента; тпу-

масса сброса /-го ингредиента после применения./-го набора мероприятий.

Налог на прибыль Л^- со ставкой налога ц может быть рассчитан как .1 ■•■■.

-тт[0,ЗХу 0,5^1 (13)

Второй член в (13) характеризует налоговые льготы предприятию, осуществляющему капвложения на водоохранную деятельность. Сформулированная задача относится к дискретному и нелинейному типу. Она решается в работе с помощью прямого перебора вариантов для каждого из которых определяется минимально возможное (у, удовлетворяющее перечисленным 01раниче-

ниям. Количество вариантов у определяется общим числом, предложенных предприятием водоохранных мероприятий и, которое на практике, как правило, не превышает 20-30.

В п.5.3 сравниваются различные механизмы распределения средств ;РЭФ, основным, источником формирования которого являются платежи предприятий за загрязнение окружающей среды. Оценено влияние различных принципов распределения средств РЭФ на водоохранную стратегию предприятия. Рассмотрены ситуации, когда предприятию становится выгодным финансировать водоохранную деятельность из собственной прибыл».

Для каждого из вариантов "правил игры", устанавливаемых "центром" - РЭФ- таким образом можно найти оптимальное для конкретного предприятия поведение, т.е. набор показателей его хозяйственной деятельности, в том числе величины его сбросов по каждому .из ингредиентов. Данная модель служит элементом автоматизированной информационной системы "Гидроменеджер" поддержки регионального управления качеством вод речного бассейна на основе существующей нормативной базы (см. гл.6).

Решение проблем качества воды состоит в рациональном использовании, восстановлении и охране водных ресурсов. Сегодня очевидно всем: средства улучшения качества окружающей среды на местах следует искать только в самих регионах.

Принятый в декабре 1991 г. Закон РФ "Об охране окружающей природной среды" создал правовую основу для оздоровления экологической ситуации в России. Первоочередной задачей любой программы по использованию водных ресурсов является создание действенного механизма управления, содержащего следующие элементы:

• детальный порядок взаимодействия водопользователей между собой и органами управления для конкретного речного бассейна на основании действующей в России нормативной базы;

• процедуру определения экономических регуляторов поведения водопотребигелей: принципов распределения средств РЭФ и т.д.;

• порядок рассмотрения вопроса об "экологическом банкротстве" предприятия, анализ и прогнозирование экологических последствий его закрытия;

• специальный порядок осуществления мероприятий по снижению урорня концентраций приоритетных токсикантов в контрольных створах реки;

• процедуру обоснования инвестиций в реализацию долгосрочных проектов, эффект от внедрения которых проявится только через несколько лет;

• взаимодействие в системе "промышленный абонент - предприятие водокоммунального хозяйства - природоохранный орган";

• учет неточечных источников загрязнений антропогенного происхождения;

• развитие информационной базы мониторинга и управления качеством поверхностных вод в речном бассейне;

• схему управления водоохранной деятельностью в масштабе бассейна реки.

Опыт развитых стран показал, что наиболее эффективный способ управления природопользованием - применение разумного сочетания административных и экономических рычагов. В шестой главе, на основе применения разработок, изложенных в предыдущих частях работы, рассматриваются вопросы создания такого механизма с необходимой системой информационной поддержки (АИС "Гидроменеджер") на региональном уровне. Такая схема регионального управления включает ряд процедур:

(а) В качестве экономические нормативов как параметров управления разработанной АИС "Гидроменеджер" выбраны: коэффициенты экологической ситуации и доля возврата платежей за загрязнение предприятиям на реализацию природоохранных мероприятий.

Величины и АГ/ - ставок платежей за загрязнение г'-тым сое-

динекием в пределах установленныху'-тому предприятию предельно допустимых и временно согласованных сбросов, соответственно, - по действующему законодательству, определяются как Ь[-а Ц и К1=Ь ки где //и /с/ - соответствующие базовые нормативы за загрязнение /-тым соединением, единые по всей стране; а и Ь -коэффициенты экологической ситуации, устанавливаемые местными органами власти, меняющиеся в фиксированных пределах /й^ а/У и [Ь0, Ь[/. В данной работе, для простоты, коэффициенты экологической ситуации обоих видов считались равными и рассматривались варианты с а= аа, где а меняется от 1 до М/ с шагом (сц- а0)/Мр

Вопрос о механизме распределения средств РЭФ на сегодня остается открытым. Самым простым вариантом будет: установить единую долю возврата платежей предприятиям для выполнения ими водоохранных мероприятий. В этом случае субсидии РЭФ }-

тому предприятию составят Т^-ЛР}, где (/ - доля возврата платежей за загрязнение предприятию на реализацию природоохранной деятельности, меняющаяся в пределах от 0<(!о до (¡¡<0,9 (здесь и далее учитывается 10%-ное отчисление средств РЭФ в Федеральный фонд). В работе рассматриваются случаи й-й^ где Р меняется от / до М^ с шагом (Л¡-<10)/\{2, причем на соответствующих этапах исключаются пары (а,Р), при которых случается перерасход средств РЭФ или возникновение новых банкротов.

Вообще говоря, в развитие: подхода, можно рассматривать случаи, когда доли возврата, как и коэффициенты экологической ситуации будут индивидуальными для каждого предприятия. В этом случае необходимо сформулировать принципы назначения тому или иному предприятию конкретного, отличающегося по сравнению с другими водопользователями, норматива.

Таким образом, начиная работу, лицо, принимающее решение (ЛПР) на региональном уровне, устанавливает количество уровней и пределы изменения коэффициента экологической ситуации М}, а0, сц и доли возврата платежей М2, (10, (1\ предприятиям, для которых будет осуществляться ¡моделирование ситуации в бассейне. Следует отметить, что в ходе уточняющих расчетов можно сужать области изменения управляющих параметров и увеличивать количество уровней, добиваясь уменьшения загрязнения речного бассейна;

(б) рассчитывая с помощью АИС "Гидроменеджер" опти-

мальное поведение для каждого из т предприятий речного бассейна, ЛПР определяет неплатежеспособные предприятия, число которых составляет тп < т, где т -общее число предприятий, загрязняющих речной бассейн, дня всех пар (а,р) из (М1ХМ2) возможных.

Проблема неплатежеспособности предприятий

Первое, с чем сталкивается разработчик системы управления качества воды, это то, что ряд предприятий в исследуемом регионе должен быть закрыт по требованию закона из-за своей неплатежеспособности. Речь идсг о ситуации, когда платежи у-того предприятия за сверхнормативное загрязнение окружающей среды превышают его чистую прибыль после уплаты налогов в бюджет, Более того, в последнее время встречаются случаи, когда себестоимость предприятия превышает его выручку, и тем не менее, такие убыточные предприятия работают, т.к. вступает в силу социальный фактор: стремление избежать массовой безработицы. Таким образом, разработчик системы управления сталкивается с необходимостью сформулировать реалистичную процедуру закрытия предприятия - "экологического банкрота". Свою задачу мы видим в том, чтобы ¡жазать ЛПР: какие, в принципе, возможны варианты решений и каковы их экологические последствия. Сравнение "цены" экологических и социальных последствий закрытия предприятия остается за пределами нашей работы и возлагается на ЛПР, деиетт,'.тощего в соответствии с рекомендациями специальных экспертов.

Далее считаем, что л-тый вариант набора действующих предприятий характеризуете« числом т5 закрытых предприятий, причем тх ¿тп;

(в) проанализировав с помощью АИС "Гидроменеджер" влияние закрытия той или иной группы неплатежеспособных предприятий на качество воды в бассейне, ЛПР отмечает на экране дисплея те из них, которые будут продолжать работу, назовем их "условно закрытыми", их число (тп-тх). Предлагаемая поправка к недействующей в данном случае нормативной базе заключается в том, что для "условно закрытых" предприятий не учитывается требование автоматического закрытия, их сверхнормативные платежи составляют максимальную долю от чистой прибыли (в случае отсутствия последней равны нулю, а платежи для них будут состоять только из нормативной части). Для "условно закрытых" предприятии также будет выполняться поиск оптимальных наборов водоохранных мероприятий, если таковые име-

ются. Остальные неплатежеспособные предприятия объявляются "экологическими банкротами" и подлежат закрытию;

(г) из (М}хМ2) пар (а,/3) исключаются те, в которых число неплатежеспособных предприятий больше, чем (тп-т3). Число оставшихся пар (а,р) обозначим через (М1ХЫ2) *;

(д) В ряде случаев необходимы целевые инвестиции РЭФ в конкретные проекты, возможно, не самые выгодные для предприятий в краткосрочной перспективе.

"Долгосрочные" и "приоритетные" водоохранные мероприятия

Под "долгосрочными" природоохранными мероприятиями далее понимаются те, эффект от внедрения которых проявится лишь через несколько лет. Будет ли этот эффект достаточно весом в меняющейся инвестиционной ситуации? На сегодняшний день мы ограничились простейшим вариантом, когда ЛПР из внешних соображений отмечает на экране дисплея "долгосрочные" мероприятия, подлежащие безусловному финансированию из РЭФ.

Под "приоритетными" ингредиентами далее подразумеваются химические соединения, среднегодовое содержание которых в контрольном(ых) створе(ах) превышает уровень ПДК в несколько раз. Использование только экономических рычагов может оказаться недостаточным стимулом для предприятий из-за ограниченности директивных максимальных ставок платежей.

Однако, в данном случае, как, впрочем, и для "долгосрочных мероприятий", мы сразу же можем столкнуться с недостатком оборотных средств, которыми располагает РЭФ, по сравнению со общей стоимостью мероприятий по "приоритетным" ингредиентам в бассейне. Поэтому необходимо ранжирование мероприятий по степени эффективности вложенных средств: влиянию их внедрения на содержание "приоритетных" ингредиентов в контрольных створах. При этом возможности АИС "Гидроменеджер" позволяют оценить варианты загрязнения речного бассейна при осуществлении каждого из наборов "приоритетных" мероприятий в отдельности. Сравнение по критерию (например, (15)) для отдельно взятых "приоритетных" ингредиентов укажет набор, мероприятиям которого целесообразно оказать безусловную финансовую поддержку.

ЛПР выбирает для безусловного финансирования наборы

мероприятий: "долгосрочных" - с общей стоимостью и

"приоритетных" - с общей стоимостью Обозначим суммарные затраты на осуществление мероприятий этих наборов через

га).

Индекс V здесь и далее из-за перегруженности символами

опускается;

(е) ЛПР реализует стратегию селективной поддержки выбранных на предыдущем этапе (д) мероприятий. Для этой цели решаются переопределенные задачи оптимизации доя каждого из действующих (т-тх) предприятий и строятся дискретные производственные функции действующих предприятий бассейна, позволяющие ставить в соответствие каждой паре (а,р) из ('М/хА^*

оставшихся пар оптимальный для предприятия план мероприятий, который определяет соответствующий набор сбросов загрязнений, их состав и мощность;

(ж) рассчитывается объем средств РЭФ после отчисления в

Федеральный фонд у(г) в каждом узле (а,р) из (М1ХМ2)* рас-

платежи]-то предприятия при реализации оптимального для него набора мероприятий;

(з) в каждом узле (а,р) из (Ы¡*М2) * рассматриваемых проверяется выполнение условия финансовой состоятельности РЭФ

т.е. РЭФ не может возвращать предприятиям средств больше, чем у него остается в наличии после субсидирования "долгосрочных" и "приоритетных" мероприятий. Узлы (а,р) из (М\хМ2) * рассматриваемых, в которых нарушается условие (14) из дальнейшего рассмотрения исключаются. Оставшиеся (М¡ХМ2)** узлов считаются допустимой областью определения решения;

(и) применяя прогнозирующий модуль АИС "Гидроменеджер" для речного бассейна (см. гл.3), строятся, соответственно, (М¡ХМ2) ** пространственно-временных распределений химических загрязнений в речной системе, затем по критерию (15) выбирается искомая пара (а,р).

В контрольных расчетах в качестве критерия сравнения различных вариантов управленческих решений Сг для рассматриваемого набора действующих предприятий был выбран следующий

сматриваемых, причем

Знак "*" здесь отличает

¿йу(г) <у(0 - у(0.

7?

(14)

Сг = шах ХгУ' "¡Г + (1 - У) •

С?

шт

м /

С.П

(15)

где г=1 е!8 - обозначает расчетный период года; / - номер конкретного химического ингредиента; Р/ предельно допустимая

концентрация ¡-того ингредиента; и С^ц - концентрации I-того ингредиента в Г-тый период года в районе г.Барнаула и г.Камня-на-Оби - граничного створа Алтайского края с Новосибирской областью, соответственно; у - о тносительный коэффициент значимости створа.

Следует отметить, что вопрос о выборе критерия сравнения различных вариантов управленческих ранений в масштабе речного бассейна заслуживает специального рассмотрения.

В итоге, выходной информацией по расчетам является следующая: данные об оптимальных набора х мероприятий для действующих предприятий, экономических показателях и сбросах; данные о РЭФ (объемы средств фонда, финансирования "приоритетных" и "долгосрочных" мероприятий, остаток средств после инвестирования, описанного в приведенной схеме). Таким образом, ЛПР имеет возможность сравнивать экологические последствия реализации своих управленческих решений.

В п.6.5 приведен анализ экологических последствий реализации различных стратегий ЛПР, выполненный на основе пробных расчетов АИС 'Тидроменеджер" по уменьшению загрязнения вод бассейна Верхней Оби на территории Алтайского края.

Основные выводы. В результате оригинальных исследований на основе единого методического подхода в данной работе создан и использован на практике комплекс математических моделей и информационных систем, отвечающий основным запросам оценки и прогнозирования качества вод речного бассейна под влиянием антропогенной деятельности, в целях достижения экологической безопасности населения и устойчивого развития регионов:

1. Сформулирована концепция экологического мониторинга речного бассейна, предложены соответстпующие структура и инструментальные средства информационной базы. Обобщен мировой опыт в явно недостаточно освещенной в отечественной литературе области: методах оценки стока химических веществ с различных ландшафтных элементов речного бассейна.

2. Создана и использована в природоохранной практике Алтайского края информационно-моделир;,тощая система мониторинга загрязнений речного бассейна. Особенностями данной работы являются использование в качество исходной информации

для модели качества воды стандартных данных служб Федеральной службы по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды и Минприроды, проведение калибровки на данных многолетних наблюдений за гидрохимическим режимом речной системы именно на исследуемом участке.

3. Для целей мониторинга состояния водных экосистем предложены модели биогеохимического цикла соединений азота и фосфора в водохранилищах. Практическую ценность этих моделей составляет их ориентация на использование стандартной информации проектных и эксплуатационных организаций, реально действующих на сегодня мониторинговых служб.

4. Разработанная модель поведения предприятия в условиях платы за загрязнение водной среды и частичной компенсации затрат на водоохранную деятельность из средств регионального экологического фонда в отличие от аналогов соответствует со-времешюй российской нормативной базе. Изучено влияние реализации различных стратегий регионального органа управления на изменение сбросов загрязняющих веществ для конкретного предприятия Алтайского кра я.

5. Предложена и испытана на конкретных данных зоны Верхней Оби схема регионального управления качеством воды речного бассейна с. использованием в качестве средства информационной поддержки АИС "Гидроменеджер". При этом с учетом особенностей переходного экономического периода детализирован порядок взаимодейсгвия региональных органов управления с организациями-водопользователями, формализованы решения возникающих проблем неплатежеспособности предприятий, инвестирования средств в перспективные проекты, определены управляющие параметры системы и область их определения. Пользователь АИС "Гидроменеджер" имеет возможность оценить экологические последствия принимаемых им решений в масштабе речного бассейна.

6. Проведенное использование научных разработок, обобщенных в данной диссд>гации, показало их эффективность и надежность на практике.

Список основных публикаций автора по теме диссертации

1. Цхай A.A. Мониторинг и управление качеством вод речного бассейна: модели и информационные системы / Алтайский государственный техшхческий университет им. И.И.Ползунова -Барнаул: Алтайское книжное издательство, 1995. - 174 с.

2. Цхай A.A., Агейков В.Ю. Математическое моделирование экосистемы проектируемого водохранилища // Приложение компьютера в гидротехнике и охрана водных ресурсов. Тр. Межд. шк., Болгария, Варна, 11-16.10.1990 г. - София: БАН, 1990, с.428-439.

3. Цхай A.A., Тушев А.Н., Щербинина Л.Ю. Модельная оценка выделения биогенов из ложа водохранилища при изменении кислородного режима // Математическое моделирование в проблемах рационального природопользования. - Росгов-на-До-ну: изд. РГУ, 1991, с.39.

4. Цхай A.A. Анализ состояния экосистемы Новосибирского водохранилища на основе моделирования трансформации соединений азота и фосфора, а также кислородного режима II Математические проблемы экологии. Тез. Всесибирской конф. - Новосибирск: изд. Ин-та математики СО РАН, 1992, с.84.

5. Цхай A.A. Моделирование качества воды в проектируемом водохранилище И Математические проблемы экологии. Тез. Всесибирской конф. - Новосибирск: изд. Ин-та математики СО РАН, 1992, с. 124-125.

6. Цхай A.A., Кошелев К.Б., Щербинина Л.Ю. Моделирующая система прогнозирования качества воды в реке в условиях переменной антропогенной нагрузки // Эколого-экономические основы безопасной жизнедеятельности. Материалы 2ой Всеросс. конф. - Новосибирск, 1993, с.32-34.

7. Цхай A.A., Агейков В.Ю., Кошелев К.Б., Лейтес М.А., Цхай Т.В. Модели для целей водного мониторинга и оптимизации водоохранной деятельности предприятий в современных условиях // Вода: экология и технология. Труды Международного конгресса. - Москва, 1994, с Л 090-1115.

8. Цхай A.A., Агейков В.Ю., Евстратов М.И., Кошелев К.Б., Шелепов С.М., Широкова С.Л. Оценка и прогноз качества воды в речных системах на основе ГИС "Гидромониторинг" // Математические проблемы экологии. - Новосибирск: изд. Ин-та математики СО РАН, 1994, с.57-64.

9. Цхай A.A., Цхай Т.В., Лейтес М.А. Оптимизационная модель природоохранной деятельности предприятия // Математические проблемы экологии. Тез.2ой Всеросслсонф. - Новосибирск: изд. Ин-та математики СО РАН, 1994, с.90-91.

10. Цхай A.A., Кошелев К.Б., Лейтес М.А. Информационная

система "Гидроменеджер " для управления качеством воды в речном бассейне // Региональные проблемы информатизации. Труды Респ. научно-тетконф., 1995, с.45-47.

11. Цхай АЛ., Конев Д.Г. Оптимизация водоохранной деятельности предприятия: модельный подход и влияние различных экономических механизмов // Природные и социально-экономические последствия: разработки и управления водными ресурсами. Междун. симп.,Москва, 1995, с. 125.

12. Цхай А.А., Кошелев К.Б., Лейтес М~А. Управление качеством воды в речном бассейне на основе применения ГИС "Гидроменеджер" // Там же, с. 126-127.

13. Цхай АЛ., Леонов А.В. Прогноз качества воды проектируемого водохранилища на основе модели трансформации азота и фосфора // Водные ресурсы, 1995, т.22, N 3, с.261-272.

14. Цхай А А. Методы оценки гидрохимического стока и смыва загрязнений с различных ландшафтных элементов речного бассейна. ИВЭП СО РАН. - 43 с. Дел. в ВИНИТИ 26.01.95 N245-В95.

15. Zhai, АЛ. Modellierung der Wassequalitât in den künfUgen Staubecken H Limnologishc Berichte. Der 29.Tagung der IAD Wissenschañliche kurzreferate - Kiew: Molod,1991, s.84-87.

16. Tskhai, Aj\., Y.Yu. Ageikov. Simulation of nutrient transformation in a reservoir ecosystem // Hydrological, Chemical and Biological Processes of Transformation and Transport of Contaminants in Aquatic Environments. - IAHS PubL, 1994, No.219, pp.303-308.

17. Tskhai, АЛ., O.P.Dorotshenkov. Model Approach and Application of Water Quality Management for Urban Areas. // Integrated Water Management in Urban Areas. Int. Symp., Sweden, Lund, 1995, pp.203-213.

18. Tskhai, A A., S.L.Shirokova, D.G.Konev, KB.Koshelev, T.V. L Tskhai. GIS "Hydromonitoring" and Optimization Model of Enterprise л Water Protection Activity // Modelling and Management of Sustainable i Basin-Scale Water Resource Systems. - IAHS Publ., 1995, No.231, pp.263 - vS -270.

Подписано в печать

Формат 60x84 1/16 Усллечл. 2,00 уч.-издл. 2,00. Заказ Тираж 100 экз.

S.tfM

Отпечатано в типографии Алтайского государственного технического университета, г.Барнаул, пр-т Ленина, 46