Моделирование водных экосистем. Комплексный подход в. В. Меншуткин, О. Н. Воробьева, Т. И. Казанцева, В. Ф. Левченко Введение
| Вид материала | Документы |
- Комплексный подход, 963.25kb.
- Зоопланктон разнотипных водных экосистем бассейна верхней оби, 420.52kb.
- Рекомендации Международной научной конференции «Современное состояние водных биоресурсов, 132.94kb.
- «Комплексный подход к организации физкультурно-оздоровительной работы». В течении месяца, 23.34kb.
- «Комплексный подход к профилактике, лечению и реабилитации пациентов стоматологического, 302.12kb.
- «Комплексный подход к профилактике, лечению и реабилитации пациентов стоматологического, 331.42kb.
- Алимов А. Ф., М. И. Орлова, В. Е. Панов. 2000, 130.41kb.
- По повести К. Д. Воробьева «Убиты под Москвой» Цель, 88.22kb.
- Семинаре практикуме Тема: «Комплексный подход к организации познавательной деятельности, 53.26kb.
- Микробиологическая индикация загрязнения реки амур ароматическими углеводородами, 408.63kb.
2.3. Модель функционирования предприятия, загрязняющего водную среду
В качестве еще одного примера моделирования водных экосистем рассмотрим модель функционирования предприятия, загрязняющего водную среду и работающего в условиях системы штрафов, зависящих от степени очистки стоков.
Схема работы предприятия, сбрасывающего в воду свои отходы, изображена на рис.1 (см. ниже). В самом упрощенном виде можно себе представить, что предприятие, вырабатывая некоторое количество Q конечной продукции по технологическим причинам на каждую единицу такой продукции производит PT и TT загрязняющих веществ условных типов “биогена” и ”токсиканта”. На деле, естественно, спектр отходов гораздо шире, но в первом приближении мы ограничиваемся только двумя компонентами.
Рис. 1. Объянение в тексте.
Итак, предприятие производит в единицу времени , за которую удобно принять один год, следующие количества загрязняющих веществ:
Q*PT для биогена и
Q*TT для токсиканта.
Эти количества могут или прямо сбрасываться в воду или подвергаться очистке. В последнем случае в сбросе участвует только некоторая доля вырабатываемых отходов.
QOUT = Q*PT*(1-PO)
TOUT=Q*TT*(1-TO),
где PO и TO - степени очистки каждого из рассматриваемых загрязняющих веществ. При PO = 1 и TO = 1 имеет место “нуль-замкнутый” технологический цикл, и в воду вообще ничто не выбрасывается, а при PO = 0 и TO = 0 в воду сбрасываются неочищенные отходы.
Согласно Закону России об охране природы, за всякий сброс в воду загрязняющих веществ надо платить в экологический фонд по SP и ST за каждую единицу измерения сброшенного загрязнителя, если объем сброса не превышает установленных лимитов (PL и TL), и SP*SPI и ST*STI, если сброс превышает эти лимиты. Кратности платежей SPI и STI, как и лимиты сбросов, устанавливаются государственными природоохранительными органами. В нашей программе процедуры оплаты за сброс каждого загрязняющего вещества оформлены в виде функций:
SPS(PL,POUT,SP,SPI)
STS(TL,TOUT,ST,STI)
С другой стороны, всякая очистка требует дополнительных затрат на постройку и эксплуатацию очистных сооружений, на захоронение или утилизацию выделеннных отходов. Затраты на очистку могут резко различаться в зависимости от объема производства и степени очистки. Кроме того, очистка почти всегда бывает комплексной, а не направленной на выделение из отходов только одного какого-то компонента. Можно обосновать, что в простейшем случае стоимость очистки от единицы загрязнителя возрастает пропорционально квадрату степени очистки. За предельное значение затрат на очистку принимаются затраты, необходимые для внедрения замкнутого технологического цикла. В программе затраты на очистку представлены в виде функций:
SPO(PO,CLEANP)
STO(TO,CLEANT)
где: CLEANP - предельные траты на очистку сбросов от биогена и CLEANT -предельные траты на очистку сбросов от токсиканта.
Таким образом, выплаты предприятия за сброс в воду загрязняющих веществ составляют:
S1 = SPS(PL,POUT,SP,SPI) + STS(TL,TOUT,ST,STI),
а траты на очистку:
S2 = Q*(PT*PO*SPO(PO,CLEANP) + TT *TO*STO(TO,CLEANT)
Будем считать, что каждое предприятие выберет такие степени очистки PO и TO, которые обеспечили бы минимальные расходы на оплату сбросов и очистку:
S1 +S2 => min
Поиск минимума осуществляется методом перебора с дискретностью величин PO и TO в 0.1. Все рассмотренные выше процедуры оформлены в виде подрограммы:
PLANT(Q,ZQ,PT,TT,CLEANT,CLEANP,PL,TL,SP,ST,SPI,STI,POUT,TOUT,PLRC), где PLRC - доля затрат на очистку отходов в общей стоимости продукции, выпускаемой предприятием.
Проиллюстрируем действие процедуры PLANT на конкретном численном примере. Примем следующие значения параметров:
ZQ= 10; PT=0.2; TT=0.01; CLEANP=10; CLEANT=100.
В таблице 3 приведены данные изменения выбросов, оптимальных степеней очистки, трат на очистку и отчислений в экологический фонд в зависимости от установленных выплат за сброс (SP и ST). При расчетах принято, что Q = 300 ; PL =20; TL = 1; SPI=3; STI =3; PLRC =S2/(Q*ZQ), где ZQ - стоимость единицы выпускаемой продукции.
Нетрудно видеть, что при отсутствии плат за сброс предприятию выгодно сливать неочищенную воду, а при очень высоких платах переходить на замкнутый цикл водоснабжения. При низких платах за сброс предприятию бывает выгоднее платить за сброс в увеличенном размере, чем строить очистные сооружения. Только при некоторых пороговых значениях (SP=1 и ST=60 в нашем примере) предприятию становится выгодно выполнять лимитные предписания по сбросам загрязняющих веществ.
Таблица 3
Зависимость сбросов, степени очистки, затрат на очистку (S2) и выплат в экологический фонд (S1) от выплат за сброс (SP и ST).
| SP ST | 0 0 | 1 1 | 5 5 | 10 10 | 15 15 | 20 20 | 10 30 | 10 40 | 10 50 | 10 60 | 100 600 |
| POUT | 60 | 42 | 24 | 18 | 12 | 18 | 18 | 18 | 18 | 18 | 0 |
| TOUT | 3 | 2.7 | 2.4 | 2.1 | 1.8 | 1.8 | 1.5 | 1.2 | 1.2 | .9 | 0 |
| PLRC | 0 | .03 | .11 | .14 | .18 | .21 | .16 | .17 | .17 | .18 | .30 |
| PO | 0 | .3 | .6 | .7 | .7 | .8 | .7 | .7 | .7 | .7 | 1 |
| TO | 0 | .1 | .2 | .3 | .4 | .4 | .5 | .6 | .6 | .7 | 1 |
| S1 | 0 | 92 | 186 | 223 | 321 | 308 | 256 | 244 | 260 | 234 | 0 |
| S2 | 0 | 16 | 132 | 213 | 225 | 326 | 243 | 271 | 271 | 308 | 900 |
3. Моделирование экосистемы Невской губы
3.1. Имитационная модель водной экосистемы Невской губы
В предыдущем разделе мы рассмотрели методологию подхода к моделированию водных экосистем , а также привели некоторые примеры имитаций. Базируясь на них, нами была разработана имитационная модель экологической системы Невской губы. За основу были приняты исследования, проведенные Зоологическим институтом АН СССР [56]. Схема средних течений и их вариаций принята по работе А.П.Белышева и Л.Ю.Преображенского [57]. Акватория Невской губы в модели была разделена на 30 ячеек, как это принято в работах ЗИН АН РАН. Состояние каждой ячейки определялось концентрацией неорганической взвеси (М) в г/куб.м. и концентрацией фитопланктона (РH) в г/куб.м.
За каждый временной шаг, длительность которого полагалась равной 6 часам, в модели происходили следующие процессы:
Перенос при помощи течений взвешенных частиц из одной ячейки в другую.
Диффузный обмен между ячейками.
Седиментация органического и неорганического вещества.
Бактериальное разложение взвешенного органического вещества.
Образование первичной продукции фитопланктона.
Отмирание фитопланктона.
Поступление (взмучивание) неорганической взвеси со дна.
Выброс органической взвеси как из р.Невы, так и из коллекторов очистных сооружений.
Внесение в систему фитопланктона, детрита и неорганической взвеси из р.Невы и вынос этих компонентов через дамбу в Восточную часть Финского залива.
Первым этапом работы модели было определение интенсивности поступления неорганической взвеси со дна Невской губы при известном распределении концентраций по акватории губы, известных схемах течений и переносов и поступлении взвешенных частиц из р. Невы. Был применен обычный градиентный метод поиска минимума функционала вида
( M - M ) minгде M -значения концентрации взвесей по осредненным данным наблюдений за 1982-1984 гг., M - те же значения, полученные в модели.
Следующий этап работы модели заключался в подборе гидробиологических параметров. Прозрачность воды определялась по эмпирической формуле, полученной на материале Невской губы:
T = (в м.)
Значение суточных коэффициентов P/B фитопланктона (т.е. отношение продукции за некоторое время к средней для этого промежутка времени биомассе продуцирующих организмов) бралось по данным исследований ЗИН АН СССР. Первичная продукция полагалась ограниченной только световыми условиями, как как минеральные формы азота и фосфора в губе всегда в избытке.
Эмпирическое соотношение PROD= 1.5*PH*(P/B)*T, полученное на материале Невской губы предполагает, что фотосинтезирующий слой в 1.5 раза превышает то значение, которое определяется прозрачностью. Отмирание фитопланктона задавалось коэффициентом PMORT, а разложение детрита - коэффициентом DESTR.
Эта упрощенная модель экосистемы Невской губы позволила оценить, основываясь на результатах натурных наблюдений, масштабы процессов биотического круговорота вещества в Невской губе и роль внешних источников неорганической взвеси и аллохтонной органики. Небольшая серия экспериментов, проведенных на модели, показала, что изменение общей схемы стоковых течений в губе мало влияет на изменение характеристик экосистемы. Рассматривались, например, варианты перенесения основного потока к северу или к югу от о. Котлин.
Наиболее чувствительной экосистема Невской губы оказалась к замедлению водообмена в губе. В модели это имитировалось снижением коэффициента горизонтальной диффузии, что приводило к существенному росту биомассы фитопланктона в прибрежных районах с сответствующим увеличением концентрации мертвого органического вещества. Естественно, данный результат имеет главным образом качественный характер и для прогностических целей нужна более совершенная модель.
3.2. Модель водопользования для экосистемы “Невская губа”
3.2.1. Методология
В данном разделе на примере единой компьютерной модели сделана попытка обобщить материал, накопленный по программе “Невская губа”, выполняемой Санкт-Петербургским Научным Центром Российской Академии Наук в 1992-1993 годах. Объем этих исследований очень велик, и результирующая система оказалась совершенно недоступной для обычных персональных компьютеров, которыми располагают заинтересованные организации, как по быстродействию, так и по объему памяти. Это обстоятельство побудило к созданию упрощенного варианта, который отражал бы только самые основные черты моделей экологических систем Ладожского озера, Невской губы, восточной части Финского залива и источников поступления загрязнений в воду как в черте города Санкт-Петербурга, так и за его пределами. Ниже (раздел 3.2.2) описаны основные элементы уже работающей компьютерной системы. Создание этой модели важно в методологическом отношении, так как позволяет в приемлемое время провести достаточно обширный круг исследований с тем, чтобы экономно планировать эксперименты с дорогостоящими гидродинамическими моделями Невской губы или Ладожского озера.
В практическом отношении упрощенная модель данной сложной системы позволяет оценить роль отдельных факторов и подсистем для обоснованного планирования сбора материалов, натурных наблюдений и научных экспериментов. Включение в модель экономических и правовых факторов важно с точки зрения обоснованного выбора стратегии природоохранительных органов, например. при назначении плат за выброс в воду загрязняющих веществ.
В теоретическом плане упрощенная модель водопользования достаточно сложной системой позволяет наметить общие пути подхода к управлению системой, в которой критерии эффективности находятся в явном противоречии друг с другом (экономика и экология) и необходимо принятие обоснованного компромиссного решения.
В основу предлагаемой модели положено представление о единстве и взаимосвязанности биологических, химических и гидродинамических процессов в рассматриваемой водной системе, состоящей из большого озера, короткой, но очень многоводной реки, мелководного морского залива со специфическим участком, отгороженным недостроенной в настоящее время дамбой, задуманной как средство борьбы с наводнениями. Неотъемлемую часть этой системы составляет город с пятимиллионным населением, развитой промышленностью и обильными сбросами промышленных и бытовых сточных вод. Ко всему этому следует добавить вполне разумное, но плохо выполняемое на практике природоохранное законодательство и нестабильную экономику и финансовую систему. Сказанное должно подготовить нас к тому, что мы действительно имеем дело со сложной системой, рассмотрение изолированных частей которой малопродуктивно.
3.2.2. Общая компоновка модели
Основная цель этой работы заключается в том, чтобы установить, как те или иные решения природоохранительных органов повлияют на состояние экологических и экономических систем. Главный смысл Закона России об охране окружающей среды (принят 19 декабря 1991г.) заключается в нахождении научно обоснованных сочетаний экологических и экономических интересов. Однако ни Закон, ни пространный комментарий к нему не дают никаких указаний, каким именно образом следует найти компромисс между экологическими требованиями о сохранении чистоты окружающей среды и экономическими требованиями о рентабельности производства. Закон в равной мере отвергает экономический экстремизм, еще не так давно господствовавший в нашей стране, и экологический утопизм, призывающий прекратить всякое воздействие на живую природу. Значит, остается искать компромиссное решение, что далеко не просто.
Остановимся на особенностях алгоритма работы программы, реализующей имитационную модель системы. После уточнения значений параметров, принимаемых по умолчанию, на экране дисплея появляется схематическое изображение водной системы “Ладожское озеро - Нева - Невская губа - восточная часть Финского залива” (см. рис. 1 выше в разделе 2.3).
Подогнав курсор к символическим изображениям предприятий, которые сливают в воду промышленные отходы, можно при нажатии функциональной клавиши посмотреть принятые по умолчанию и изменить такие характеристики как выход того или иного загрязняющего вещества на единицу продукции, зависимость стоимости очистки от степени извлечения загрязняющих веществ из сточных вод и другие параметры (см. рис.2). В рассматриваемом простейшем варианте модели учитывается только 8 источников загрязнения и только два загрязняющих вещества, условно названных “биоген” и “токсикант” по специфике их действия на биологические объекты, однако и число источников загрязнения и число учитываемых загрязняющих веществ может быть увеличено.
Рис. 2. Объянение в тексте.
Следующим этапом работы программы является установление лимитов сброса каждого загрязняющего вещества каждым источником загрязнения. Кроме того, на этом этапе задается размер платы за сброс в воду единицы загрязняющего вещества каждого типа в пределах установленного лимита и кратность повышения плат за сброс при превышении установленного лимита.
После установления норм природопользования начинается имитация деятельности предприятий, сбрасывающих загрязненые воды. Предполагается, что каждое предприятие само устанавливает степень очистки по каждому загрязнителю, исходя из соображения минимизации разности между выплатами в экологический фонд за сбросы по принятым нормам и затратами на строительство и эксплуатацию очистных сооружений (см. раздел 2.3). Поиск минимума проиводится методом сплошного перебора с дискретностью степени очистки в 0.1. Результаты оптимизации выдаются на дисплей.
Следующий этап работы программы заключается в демонстрации на дисплее структуры ячейки водной экологической системы и в возможности корректировки отдельных ее параметров (см. рис.3). В принятом приближении из элементов экосистемы рассматриваются только фитопланктон, растворенные в воде соединения биогенных элементов и токсикантов, а также взвешенное мертвое органическое вещество - детрит. Из процессов, происходящих в водной экологической системе, в упрощенном варианте имитируются только процесс фотосинтетического образования первичной продукции фитопланктона, процесс отмирания планктонных водорослей (полагается, что на скорость этого процесса может оказывать влияние концентрация токсиканта), процесс бактериального разложения мертвого органического вещества, а также процесс осаждения детрита на дно водоема (см. раздел 2.2).
Рис. 3. Объянение в тексте.
Далее, на следующем этапе работы программы демонстрируется пространственная структура моделируемой системы и возможности коррректировки параметров водообмена. Вся акватория системы “Ладожское озеро - Нева - Невская губа - восточная часть Финского залива” разбита на 12 областей, или ячеек. Ладожское озеро представлено 6 ячейками, Нева - одной, Невская губа - четырьмя, а восточная часть Финского залива - снова одной ячейкой. Внутри каждой ячейки все переменные для системы полагаются константами (рис.4).
Рис. 4. Объянение в тексте.
Связи между ячейками представлены в виде потоков, которые можно изменять в зависимости от моделируемой ситуации (рис.5). Условие непрерывности (соблюдение постоянства объема воды в каждой ячейке) проверяется после каждой корректировки, и результаты проверки выводятся на дисплей в виде сообщения о ячейках, в которых нарушено условие непрерывности.
Рис. 5. Объянение в тексте.
После установления всех параметров системы начинается имитация реакции экосистемы на заданные воздействия. Процесс происходит с временным шагом в одни сутки и включает в себя гидрохимическую и гидробиологическую часть, перенос компонентов системы между ячейками в соответствии с заданными потоками и поступление загрязняющих веществ в тех количествах, которые были определены в программе оптимизации работы предприятий, сбрасывающих свои отходы в Ладожское озеро, реку Неву или Невскую губу.
Пройдя заданное число шагов, программа выводит конечное состояние системы на дисплей, хотя возможно высвечивание и промежуточных состояний. На этом этапе возможна оценка состояния любой части рассматриваемой системы с точки зрения превышения норм предельно допустимых концентраций по загрязняющим веществам, а также по концентрации фитопланктона и мертвого органического вещества. Это позволяет оценить результаты тех природоохранных мероприятий, которые закладывались в начале работы программы. Подобные варианты имитационных экспериментов можно повторять неограниченное число раз.