 |
Факторы квотирования нагрузки
|
|
|
|
| Характеристика водопользователей | Состояние водного объекта |
| b. по отраслям экономики c. по объему сточных вод d. по номенклатуре показателей, специфичных для каждой отрасли экономики e. по массе сбрасываемых загрязнений f. по технологическому уровню производства по интегральным показателям, позволяющим оценивать существующий уровень потерь, сырья и химикатов в водный объект и уровень, соответствующий «наилучшей существующей технологии» | g. гидрологические характеристики водного объекта h. геоморфологические характеристики дна i. литологическая характеристика дна j. гидрохимическая характеристика воды по целевым показателям k. гидробиологическая характеристика воды l. гидробиологическая характеристика дна m. биотический баланс водной экосистемы: соотношение фотосинтеза и деструкции органического вещества n. классы качества воды на отдельных участках o. аккумулирующая емкость водного объекта |
отраслевой имитационная показатели,
экологический модель системы интегрально
стандарт технологий «водопользователь – отражающие
водный объект» основные функции
экосистемы
 |
интегральный показатель, квоты ПДВ для условия сохранения
учитывающий экономические, каждого экологического
социальные и др. аспекты водопользователя равновесия и
функционирования предприятия механизмов
саморегуляции в
водных экосистемах
В соответствии с приведенной схемой основным механизмом управления окружающей средой, в частности, водной экосистемой, является распределение квот предельно-допустимых вредных выбросов для каждого водопользователя с учетом их взаимного влияния. Определение и выдача квот является достаточно комплексной задачей, которая должна учитывать всю совокупность факторов, включая приведенные в схеме характеристики по водопользователям и по водному объекту.
|
|
|
Имитационная модель должна адекватно отражать сложившуюся ситуацию и давать возможность прогнозировать при различных уровнях технологического и технического обеспечения производств и с учетом различных естественных режимов водных объектов. В качестве имитационных моделей могут быть использованы как детерминированные, так и вероятностные модели, а также их комбинации.
Допустим, есть фрагмент водного объекта:
 |  |  |  | ||||
А qA, CстА B qB, CстB D qD, CстD КС
 | ||||||
 | | |||||
 | ||||||
река
ММ, КПД, ПВ
v, Q, Cip
| ||
|
С qС, CстС
Задача – определить квоту нагрузки для каждого водопользователя. Под квотированием нагрузки понимается распределение между водопользователем допустимого сброса.
Современный подход к квотированию нагрузки предполагает использование принципов теории управления при формулировке водоохранных программ, включая:
1. четкое определение объектов водоохраны (участок реки с фиксированными водопользователями, водохранилищами и др. объектами);
2. формулировку целей водоохраны;
3. ограничения на реализацию (финансовые, экологические, гидрологические и др.);
4. факторы управления (сбросы предприятий, сток с городских территорий, возможности изъятия территории при гидротехническом строительстве и прочее);
5. формулировка альтернативных вариантов и обеспечение каждого из них гидрохимической, экономической и др. информацией;
6. формулировка целевой функции;
7. выбор метода оптимизации;
|
|
|
8. решение оптимизационной задачи. Фактически, определение и обоснование квот нагрузки представляет собой оптимизационную задачу, поэтому в качестве исходной базы данных необходимо иметь объективную и достаточно полную гидрологическую, гидрохимическую и гидробиологическую информацию о водном объекте, а также максимально полную информацию об основных источниках загрязнения, которые учитываются при решении поставленной оптимизационной задачи.
По указанным выше данным необходимо произвести районирование водного объекта с выделением наиболее характерных, с точки зрения техногенной нагрузки, участков. Далее формулируются требования к каждому из выделенных участков, которые должны соответствовать локальным нормативам. На основании систематизации и обработки исходной базы данных определяются лимитирующие и репрезентативные показатели, по которым и выполняется численный эксперимент. Особо должны быть выделены компоненты, по которым должна осуществляться очистка сточных вод всей группы рассматриваемых водопользователей. Необходимый уровень очистки сточных вод должен определяться с учетом рассчитанной для каждого целевого компонента величины предельно-допустимого вредного воздействия (ПДВВ) на участок водного объекта. Далее определяется необходимый уровень очистки по каждому расчетному участку. Производиться выбор альтернативных вариантов технологий основного производства и мероприятий по очистке сточных вод. При решении такого рода задач расчет стоимости очистки производиться по стандартным методикам как сумма приведенных капитальных, эксплуатационных и амортизационных затрат. При формулировке оптимизационных задач наиболее часто встречаются такие 2 варианта:
1. расчет оптимальной стоимости водоохранных мероприятий по участкам реки при условии достижения требуемого уровня снижения сброса загрязняющих веществ;
2. в пределах выделенных на водоохранное мероприятие сумм при оптимизации необходимо найти такое распределение уровней распределения нагрузки и такие технологии, которые обеспечивали бы максимальный водоохранный эффект для всего исследуемого участка или бассейна, то есть максимальной массы очистки загрязняющих веществ.
|
|
|
Таким образом, в рассматриваемой схеме задача водоохраны решается как задача оптимального управления, при этом используются данные по технологиям и мероприятиям водоохраны, рассчитывается ПДВВ по участкам (на основании предварительного районирования), выбираются приоритетные источники загрязнения и загрязняющие вещества, которые, в основном, определяют экологическую ситуацию в водном объекте.
Таким образом, объединяющим подходом является формулировка и решение задачи оптимального управления.
График зависимости степени очистки (р) от затрат на очистку воды (Q).
Кривая ряда-1 – характеризует связь ущерба, который получаем за счет сброса некачественно очищенной воды в водный объект. Крива ряда-2 показывает связь затрат в зависимости от степени очистки.
Если ставиться задача для крупного водного бассейна, то возникает необходимость учета большего количества различных процессов и множества переменных различного характера. Вследствие этого крупные модели создаются по этапам, по отдельным блокам с последующей компоновкой и взаимоувязкой отдельных частей. Структурно модель может иметь следующий вид:
1. проводиться районирование водного объекта, то есть его разбиение на отдельные участки с относительно постоянными гидрологическими характеристиками;
2. выделяются характерные узловые точки, в которых происходит скачок параметров потока (впадение притока в места сброса сточных вод, крупные водозаборы);
3. на основании многолетних наблюдений строиться содовой график изменения температуры водного объекта;
4. определяется соотношение между величиной расхода воды и средней скоростью течения на каждом участке;
5. строиться годовой график изменения расхода воды на каждом участке;
6. моделируется внутри русловая гидрология, график уровней и стоков из водохранилищ;
7. моделируется кислородный режим системы с использованием модифицированных уравнений Фелпса-Стритера:
 |
dCБПК / dt = -α · CБПК · С O2 · Cбактер
|
|
|
dCO2 / dt = dCБПК / dt + β · (CO2 пр – CO2)
|
Изменение концентрации кислорода и БПК
при мономолекулярной модели
CO2
CБПК
ПДК: БПК5 = 2 мг/л СO2 = 6 мг/л – ПДК рыб.-хоз.
БПК20 = 3 мг/л СO2 = 4 мг/л – ПДК хоз.-быт.
8. исследуется возможность недопустимого падения нерастворенного кислорода в водотоке;
9. для водохранилищ учитывается возможное демпфирование дефицита растворенного кислорода за счет кислородных запасов в самом водохранилище.
 |
dCБПК / dt = -k1 · CБПК
dCO2 / dt = dCБПК / dt + k1 · (CO2 пр – CO2) (1)
 | |
 |
dCБПК / dt = -α · CБПК · CO2
dO2 / dt = dCБПК / dt + β · (CO2 пр – CO2) (2)
 |
CБПК(0) = CБПК 0
CO2(0) = CO2 0 (3)
При управлении кислородным режимом водного объекта может быть использована как система (1), так и система (2) с учетом условий их применимости.
Коэффициенты α и β могут быть определены экспериментальным или расчетным путем. Экспериментальное определение этих коэффициентов требует длительного времени. Для расчетного определения этих коэффициентов необходимо иметь данные для условий мономолекулярной модели. В этом случае если определены условия применения мономолекулярной модели системы (1), то автоматически применима и бимолекулярная модель системы (2).
Для расчета α и β используется следующая последовательность действий:
1. производиться расчет изменения БПК и растворенного кислорода по мономолекулярной модели с определенными начальными условиями для заданного типа водного объекта;
2. для бимолекулярной модели принимается 3 значения коэффициента α:
α = k1; α > k1; α < k1
Таким образом имеем:
Рассмотренное решение по мономолекулярной схеме называется аналитическим. По нему будут находиться соответствующие коэффициенты по бимолекулярной схеме.
Степень приближения расчетной кривой к аналитическому решению определяется методом среднего квадратичного отклонения (МСКО). В результате находим αрасч., при котором расчетная кривая максимально совпадает с аналитическим решением. Определив α и β можно использовать модель системы (2) для случаев, когда мономолекулярная схема неприменима. Обычно это связано со значительными величинами исходных СO2 и СБПК, а также характеристиками процесса биохимического окисления.
При любых начальных условиях при решении бимолекулярной модели кривая кислородного прогиба остается в положительной области.
Таким образом, управление кислородным режимом может осуществляться по той или другой модели за счет изменения интенсивности воздействия сбрасываемых органических веществ или за счет повышения интенсивности аэрации. Целевой функцией является обеспечение заданного кислородного режима при минимальных затратах.
|
|
|
Для крупных водных экосистем (озер, морей) большое значение имеет не только управление кислородным режимом, но и в целом всех видов техногенной нагрузки. Для такого рода систем строятся достаточно сложные имитационные модели. Например, имитационная модель экосистемы Азовского моря включает в себя более 100 переменных: около 20 химических элементов, 2 вида бактерий, 12 видов фитопланктона, 13 видов зоопланктона и т.д. Сам же объект разделен на 7 однородных районов. Имитационная модель такой экосистемы компонуется из следующих блоков:
1. «Перемешивание» (рассматривается перетекание между районами).
2. «Биогенные элементы» (описывается перенос, распад и потребление биогенов).
3. «Загрязняющие вещества» (рассматривается перенос, разложение и поступление загрязняющих веществ).
4. «Фитопланктон».
5. «Зоопланктон».
6. «Бентос».
7. «Рыба».
В последних 3-х блоках описываются процессы жизнедеятельности гидробионтов.
Достоинства блочного построения сложной имитационной модели состоит в том, что отдельные блоки создаются параллельно и главное – в возможности их независимой верификации до их компоновки в общую систему.
|
|
|
