Введение к работе
Актуальность темы. Интенсивное развитие промышленности, гльского хозяйства, урбанизация территорий приводит с одной стороны к величению потребности в воде, отвечающей определенным требованиям, а другой к резкому увеличению объемов загрязненных сточных вод. Эти іактьі характерны для любого региона, но для Центральной Азии вопросы ационального использования наличных водных ресурсов и их охраны гановятся, в силу особенностей природно-климатических характеристик, собо актуальными. Высокая аридность климата, отсутствие на большей асти территории необходимого для выращивания сельскохозяйственных ультур естественного увлажнения заставляет здесь развивать орошаемое емледелие, являющееся источником коллекторно-дренажных вод. Из всего бъема образующихся стоков более 70% - это стоки с орошаемых ерриторий, загрязненные биогенными веществами, тяжелыми металлами, іестицидами и их метаболитами.
Особенности орографии территории Центральной Азии таковы, что існовньїе источники зачастую являются одновременно приемниками точных вод промышленности, коммунально-бытового хозяйства и :оллекторно-дренажных вод. Эффективное изучение и прогнозирование юспространения загрязнений в поверхностных водных источниках, ^основание мероприятий по предупреждению и борьбе с ними щерживались недостаточной разработанностью научно-методических кнов водоохранных мероприятий. Вес это обусловило необходимость лгочнения области применения существующих и разработки новых методов эасчета распространения загрязняющих веществ в открытых водных істочниках, позволяющих принимать обоснованные решения при: эазмещении объектов водопотребителей и водопользователей; іроектировании и реализации водоохранных мероприятий; управлении «ачеством водных ресурсов, включающих определение пространственных и зременных границ распространения загрязнений под воздействием внешних факторов, таких как ветровые, плотностные и стоковые течения.
Развитие методов численного моделирования распространения загрязняющих веществ в открытых водных источниках, совершенствование классификации математических моделей как иерархической структуры, совершенствование классификации водоёмов по признакам применимости этих моделей, определение границ применимости математических моделей, учитывающее результаты лабораторных, численных и натурных экспериментов, позволяющих прогнозировать развитие экологической ситуации и выбирать рациональные водоохранные мероприятия, являются решением важной народохозяйсгвенной проблемы, новым достижением в области научного обоснования природоохранных мероприятий и ускорении научно-технического прогресса.
Цель и задачи работы. Целью работы является разработка методологии оперативного прогноза распространения загрязняющих веществ в открытых водных источниках и применение их для решения практических.задач экологии.
Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены следующие задачи:
- разработка комплекса методов прогноза распространения примесей
в открытых водных источниках, включая математическую модель,
пригодную для имитационного моделирования таких процессов;
создание новых численных моделей для расчета переноса загрязняющих веществ, согласованных с численными моделями расчета течений в водоемах и водотоках;
усовершенствование теоретических основ и методов расчетов распространения консервативных и распадающихся веществ под воздействием внешних факторов - стоковых, плотностных и ветровых течений;
эволюционизирование методов расчета вторичного загрязнения открытых водных источников, возникающего в результате размыва донных отложений;
проведение с помощью разработанных методов исследований возможностей использования водоемов и водотоков в качестве источников централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения, водоемов рекреационного и рыбо-хозяйственного назначения.
Методы исследований. Поставленные задачи были решены с применением аппарата математической гидравлики и теории разностных схем. Адекватность разработанных численных моделей проверялась путем сопоставления с независимыми данными гидравлических экспериментов.
Научная новизна. В настоящей диссертации разработаны, научно обоснованы и экспериментально проверены принципиально новые подходы к численному моделированию распространения примесей в открытых водных источниках. Численно исследованы процессы разнесения примесей в стратифицированных и нестратифицированных водоемах, впервые предложен на основании этого изучения спектрально-сеточный метод прогноза. Изучены отдельные экологические аспекты использования водных объектов, в том числе в качестве источников централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения, для целей рекреации и рыбного хозяйства.
Осуществлено дальнейшее совершенствование методов расчетов распространения консервативных и распадающихся веществ в водоемах и водотоках, а также вторичного загрязнения, возникающего в результате размыва донных отложений.
Выполнены теоретические и экспериментальные исследования, позволившие разработать водоохранные мероприятия на крупнейших водных объектах Центральной Азии, обосновать методы прогноза экологических изменений в водной среде.
Практическое значение работы. В результате многолетних исследований разработаны, переданы в производство и нашли широкое применение рекомендации по комплексному использованию и охране водных ресурсов бассейнов рек, математические модели и пакеты прикладных программ для расчета распространения консервативных и неконсервативных загрязняющих веществ в водоемах и водотоках.
Настоящая диссертационная работа выполнялась в рамках ряда исследований, осуществленных НПО САНИИРИ по заказам Министерства Мелиорации и Водного Хозяйства бывшего СССР при уточнении экологического и экономического ущерба в результате снижения уровня Аральского моря ( Государственный заказ N 75-89), Государственного концерна "Водстрой" (Государственный заказ N 177-89), а также научных
«ледований, выполненных по заказу Государственного комитета по науке технике Республики Узбекистан (Государственный заказ N 15.3.2.), а .кже договорных работ с государственными и частными компаниями по ізможности использования водных источников Центральной Азии для ізличньїх целей, включая хозяйственно-питьевое водоснабжение, рыбное ізяйство, рекреацию.
Личный вклад в решение проблемы. Диссертация является зультатом многолетних исследований автора, которые проводились им в деле охраны водных ресурсов НПО САНИИРИ. Постановка проблемы, эрмулирование всех рассмотренных задач, поиск путей их решения, а кже приведенные в диссертации научные и практические результаты, их іализ, формулирование окончательных выводов осуществлены лично тором диссертации. Обсуждаемые в рамках работы численные и еретические исследования осуществлялись аспирантами и сотрудниками тора диссертации при его постоянном непосредственном участии и под о научным руководством. При постановке ряда перечисленных выше дач автор диссертации получил ценные советы от д.т.н. А.Н. Милитеева. ефективную помощь в анализе сложных проблем синергизма грязняющих веществ оказала с. н. с. О.С. Дунин-Барковская.
Реализация результатов исследований. Разработанные под
'ководством и при непосредственном участии автора научно-практические
ікомендации по рациональному использованию и охране водных
курсов, а так же проведению водоохранных мероприятий, используются
>сударственными комитетами по охране природы, различными, в том
ісле проектными и эксплуатационными подразделениями Министерств
уіиорации и водного хозяйства стран Центральной Азии. В частности,
юведены исследования распространения загрязняющих веществ в
апарасской емкости Тюямуюнского гидроузла в связи с возможным
пользованием его в качестве источника централизованного хозяйственно-
ггьевого водоснабжения. Исследована возможность создания
:кусственного водоема на дне бывшего залива Аральского моря > арышиганак в качестве мероприятия по стабилизации экологической істановки в районе г. Аральска. Выполнены специальные разделы в емах комплексного использования и охраны водных ресурсов бассейна ральского моря по оценке качества поверхностных вод, в том числе для пользования их в качестве источников централизованного хозяйственно-ггьевого водоснабжения. Разработанные методы использованы для ^основания природоохранных мероприятий на осушенном дне Аральского зря.
Апробация работы. Принципиальные положения диссертационной [боты были доложены на: научно-производственной конференции ИИИМСХ (Ташкент, 1993), Всесоюзной научной конференции по імплексному изучению и освоению пустынь (Ашхабад, 1991), еждународном совещании по проблемам антропогенного воздействия на істительньїй покров (Ташкент, 1993), научной конференции "Чистая вода" ашкент, 1994), IV конференции "Динамика и термика рек, водохранилищ, іутренннх и окраинных морей" (Москва, 1994), Международной шференции "Математическое моделирование и вычислительный сперимент" (Ташкент, 1994), конференции НАТО "Ирригация и дренаж в іссейне Аральского моря" (Вагенинген, Нидерланды, 1995), конференции ОН "Информационные технологии и моделирование дных ресурсов"
(Ташкент, 1995), научно-технической конференции "Питьевая вода и экология" (Ташкент, 1995).
Публикация результатов исследований. Материалы диссертации опубликованы в 24 печатных работах, раскрывающих содержание диссертации.
На зашиту выносятся: результаты изучения современного состояния водоохранных мероприятий в бассейне Аральского моря;
численные модели расчета переноса загрязняющих веществ, согласованные с численными моделями расчета течений в водоемах и водотоках;
- сформулированные ограничения на область применимости нульмерных, одномерных, двумерных и трехмерных моделей.
Объем, краткое содержание и структура работы. Анализ ретроспективы и текущего состояния окружающей среды в аридных зонах, приведенный в первой главе диссертации, показал превалирующее влияние орошаемого земледелия на деградацию водных экосистем. Развитие современных методов прогнозирования, вызванное потребностями инженерной практики, направлено на широкое использование математического аппарата и в особенности численных методов прогнозирования гидродинамических процессов в открытых водных источниках. Во второй главе обсуждаются математические модели, применяемые в работе для исследования и моделирования течений и переноса примесей. Несмотря на свою очевидную эффективность, численные методы решения гидродинамических задач имеют определенные ограничения. Исследованиям области применимости конечно-разностных методов, особенностей и свойств применяемых численных моделей посвящена третья глава. В четвертой главе диссертации изложены результаты исследований, связанных с ограничениями, которые должны быть приняты во внимание при практическом использовании уравнений гидродинамики. В пятой главе обсуждаются результаты практического применения разработанных методов и численного моделирования гидродинамических процессов в открытых водных источниках.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения с выводами и имеет общий объем 168 страниц; она содержит 33 рисунка, 5 таблиц и список литературы из 170 наименований.