Создание информационно-моделирующей системы гидродинамики, химических и биологических показателей качества поверхностных вод

1. Пушистов Петр Юрьевич Югорский НИИ Информационных Технологий [email protected] с.т. (34671) – 5-90-90

Презентация научно-технической
разработки
«Создание информационно-моделирующей
системы гидродинамики, химических и
биологических показателей качества
поверхностных вод с учетом антропогенных
нагрузок и гидротехнических сооружений для
решения прикладных задач водопользования,
охраны водных и биологических ресурсов,
экологического и гидротехнического
проектирования и экспертизы»
Слайд №1

2. Цель разработки

• Создание современных имитационных информационно-моделирующих систем (ИМС) комплексного
экологического
и
гидрометеоро-логического
мониторинга и управления водными объектами (реки,
водохранилища,
эстуарии)
с
высокими
концентрациями
загрязняющих
веществ
и
существенными нарушениями биопродуктивности
водных экосистем, с высокими степенями риска
опасных гидрологических явлений и процессов
(половодья, паводки, заторно-зажорные ситуации и
т.п.), а так же объектов, включающих в себя сложные
гидротехнические сооружения.
Слайд №2

3. Значимость природных водных ресурсов

Навигация
Гидроэнергетика
Прямое
потребление
Экосистемы
(биоресурсы и рыболовство)
Туриндустрия и отдых
Природные
водные ресурсы
Питьевое и коммунальное
Косвенное
потребление
Промышленность
Сельское хозяйство
Резюме:
1. Достаточный запас высококачественной пресной воды - необходимое условие для
обеспечения устойчивого экономического и социального роста и развития регионов.
2. Потребление воды для различных целей увеличивается, загрязнения пагубно влияют на
качество воды, возникают острые конфликты между разными прямыми и косвенными
потребителями воды
Слайд №3

4. Система водных ресурсов

Природная
водная
система
ВХОД
- Информация
- Инвестирование
- Наука
- Технология
Водная
подсистема
созданная
человеком
ВЫХОД
Административная
подсистема
- Водопользование
- Охрана окружающей
среды и здоровья
населения
ОГРАНИЧЕНИЯ: политические, социальные, экологические
Резюме:
1. При решении проблем, связанных с водными ресурсами, важными оказываются как
информационные, научные и технические компоненты, так и социальные, экономические и
институционные составляющие.
2. Подсистемы водных ресурсов
(природная, техногенная и административная)
взаимосвязаны и подвергаются различным ограничениям социального, политического и
экономического характера
Слайд №4

5. Важность качества воды

Резюме:
1. В управлении водными ресурсами все более важную роль играет качество воды, что в
настоящее время эквивалентно ее количеству.
2. С ростом загрязнения поверхностных и подземных вод необходим интегрированный
подход, включающий в себя контроль, как качества, так и количества водных ресурсов.
3. Защита водных экосистем требует, чтобы система водных ресурсов рассматривалась как
система, состоящая из абиотических (геофизических и геохимических) и биотических
элементов
Абиотическая система: атмосфера – поверхностный и
подземный сток - водные тела донные отложения
Качество воды
Биотическая система:
Слайд №5
Физика
Химия
фитопланктон –
зоопланктон - рыба
Биология

6. Схема управления водными ресурсами

Управление количеством
и качеством ВР
Планирование комплексного
использования и охраны ВР
Распределение
ВР
ЗАПАС
СПРОС
Водная
система
Водопользование
Восстановление
ВР
Формулировка
ПРОБЛЕМ
использования,
восстановления и
охраны ВР
Резюме:
1. Основная цель эффективного управления водными ресурсами –удовлетворить спрос на запас
воды при имеющихся возможностях и ограничениях средствами идентификации проблем,
планирования и управления, включая меры регулирования запасов воды и спроса на нее.
2. Баланс между спросом и запасом должен содержать в себе аспекты количества и качества
воды, учитывать проблемы охраны окружающей среды
Слайд №6

7. Функциональная схема ИМС

Данные наблюдений и измерений.
Источники первичной информации
Управление данными
И
М
Экосистемное математическое моделирование
С
Подготовка информации для управления, контроля, и надзора.
Проведение инженерно-технических расчетов (нормирование,
проектирование, экспертиза).
Потребители и пользователи
Слайд №7

8. Функциональная схема ИМС

Пользователи и потребители
продукции ИМС
Органы
власти
Бассейновые
субъектов РФ
водные
и мунициуправления Структуры
пальных
Федерального Росгидрообразований,
мета
агенства
организаций
водных
всех форм
ресурсов
собственност
и в зоне ИМС
1
2
3
Минпром
энерго РФ
Структуры
МЧС
4
Центры
санэпиднадзор
5
Структуры
Росприроднадзора
6
Структуры
ЭТА Надзора
Минсельхоз
РФ
7
8-9
Законодательная база:
Водный кодекс РФ от 16.01.95 №167-ФЗ, изменения Кодекса, вступающие в силу с 01.01.2005г. –
федеральный закон от 22.08.2004г. № 122-ФЗ (статья 65)
Слайд №8

9. Предлагаемая к разработке ИМС предназначена для решения следующих научно-прикладных, инженерных и управленческих задач

1.
Проведение пилотных исследований и подготовка
технико–экономического
обоснования
необходимости создания ИМС для
конкретных водных
объектов и площадей их водосбора, являющихся
проблемными при использовании, восстановлении и
охране водных и биологических ресурсов, для
гидрометеорологического
обслуживания,
для
обеспечения оптимального управления функционированием гидротехнических сооружений(ГТС) и
безопасности судоходства.
Слайд №9

10. Содержание пилотных исследований

Содержание пилотных
исследований
Создание банка данных и знаний с экспертным
заключением о реальном состоянии и потенциальных рисках водопользования и охраны водных
ресурсов в зоне действия ИМС по направлениям:
1.
2.
3.
Источники и последствия техногенных загрязнений водных
объектов и их водосборных площадей в т.ч. деструкция
биоценозов, социально-экономические ущербы;
Риски наводнений и других природных и техногенных
катастроф;
Конфликт интересов прямых и косвенных потребителей водных
ресурсов (гидроэнергетика – судоходство -воспроизводство
рыбных запасов – водоснабжение - сельское хозяйство);
Оценка источников и полноты исходной экосистемной и морфометрической информации для применения математических моделей, проведение полевых
работ по восполнению дефицита информации.
Слайд №10

11.

Предлагаемая к разработке ИМС
предназначена для решения следующих
научно-прикладных, инженерных и
управленческих задач
2.
Разработка
и
применение
иерархии
экосистемных
математических моделей высокого пространственно –
временного
разрешения
для
расчета
динамики
гидрологических характеристик водных объектов (уровни и
расходы
воды,
термический
и
ледовый
режимы),
гидрохимических и гидробиологических показателей качества
вод с учетом технологических режимов работы ГТС. Создание
и
применение
моделирующих
компонентов
ИМС
воспроизводящих мезо- и микромасштабную динамику и
загрязнение атмосферы над площадью водосбора и
описывающих физико – химические процессы на поверхности
земли и в деятельном слое почвы, а так же процессы
фильтрации и формирования поверхностного и подземного
стока с учетом переноса загрязняющих веществ.
Слайд №11

12. Предлагаемая к разработке ИМС предназначена для решения следующих научно-прикладных, инженерных и управленческих задач

3.
Создание ГИС-компоненты ИМС, включающей в
себя:
• электронные карты батиметрии русловых каналов и пойм,
топографии и почво-растительного покрова береговой зоны
и водосборов;
• электронные динамические карты и базы данных
наблюдений
и
результатов
моделирования
метеорологических, гидрологических, гидрогеологических,
гидрохимических и гидробиологических характеристик;
• базы данных об источниках загрязнения водных объектов;
• базы данных о ГТС и эксплуатации судов в зоне действия
ИМС.
Слайд №12

13.

Предлагаемая к разработке ИМС
предназначена для решения следующих
научно-прикладных, инженерных и
управленческих задач
4.
Информационное обеспечение применения экономических
методов и нормативно-правовых регламентов в практике
использования, восстановления и охраны водных объектов и
для оперативного экологического контроля состояния водных
и биологических ресурсов. Информационная поддержка
принятия решений при разработке схем комплексного
использования и охраны водных ресурсов, установления
лимитов и нормативов водопользования, при экологическом,
водохозяйственном и гидротехническом проектировании и
проведении соответствующих экспертиз.
Слайд №13

14.

Предлагаемая к разработке ИМС
предназначена для решения следующих
научно-прикладных, инженерных и
управленческих задач
5.
Проектные предложения по организации оптимальной
оперативной сети комплексного мониторинга водных объектов
в зоне действия ИМС (с подсистемой быстрого обнаружения и
реагирования в ситуациях экологических напряжений и
бедствий и при опасных гидрологических процессах и
явлениях) и по организации информационно-аналитического
центра сбора, обработки, анализа информации о состоянии
водных объектов и доведения до пользователей выходной
продукции ИМС.
Слайд №14

15. Ожидаемые результаты и информационно-технические продукты по завершению разработки

1. Моделирующая составляющая ИМС
1.1.Базовый моделирующий комплекс (БМК)
гидродинамики и качества вод речных систем,
водохранилищ, озер и эстуариев.
Ядром
комплекс
является
численная
модель
гидродинамики и качества воды – CЕ-QUAL-W2, версия
3.1. Модель применена на практике для реализации
проектов регионального управления использованием и
охраной водных ресурсов для более 400 рек, озер и
водохранилищ с ГТС на территории США и ряда стран
Адаптацию
указанной модели для условий Сибири и Урала, а также
разработку других компонентов моделирующего комплекса водных
экосистем осуществляют Югорский НИИ информационных технологий,
Институт вычислительной математики РАН, Институт водных и
экологических проблем СО РАН, Новосибирский инженерно-строительный
университет.
Слайд №15

16. 1.1.Базовый моделирующий комплекс (БМК) гидродинамики и качества воды

Ядром БМК является экосистемная нестационарная нелинейная
численная модель, описывающая с высоким пространственновременным разрешением гидрофизические, химические и
биологические характеристики качества вод речных систем,
водохранилищ, проточных озер и эстуариев и комбинаций из
указанного.
Гидродинамический блок модели позволяет вести расчет (на период
до 1 года с временными шагами порядка 10 мин) уровней поверхности
воды, продольной и вертикальной составляющих скорости течения,
поля температуры (с разрешением по вертикали от 0.1м, вдоль
водотока-100 и более метров) для водных объектов с горизонтальными
размерами в диапазоне 101-103 км.
Модель описывает образование, нарастание и разрушение ледового
покрова.
Модель позволяет учитывать реальную динамику метеорологических
параметров ( ветер, температура и влажность воздуха, балл
облачности, солнечное излучение), а также характеристики ветрового и
светового затенения от топографии и растительности береговой зоны.
Модель рассчитывает характеристики турбулентности и
гидрооптические переменные водного тела.
Слайд №16

17.

1.1.Базовый моделирующий комплекс
(БМК) гидродинамики и качества воды
• Характеристики качества воды, описываемые моделью, включают в
себя:
– любое число характерных компонентов для которых известны
скорость распада 0-го и/или 1-го порядка, и/или скорость осаждения,
и/или множитель зависимости от температуры( в том числе:
консервативные трасеры,бактерии кишечной палочки, загрязняющие
вещества);
– любое число групп неорганических взвешанных веществ и УБПКгрупп;
– нитраты-нитриты, аммоний, биодоступный фосфор и кремний
(биогены);
– лабильные и устойчивые, растворенные и корпускулярные
органические вещества;
– общий неорганический углерод, щелочность, общее железо;
– растворенный кислород и процессы реаэрации;
– любое число групп фитопланктона и эпифитона. На базе
перечисленных выше переменных основного состояния качества
воды могут быть рассчитаны дополнительно более 60 производных
переменных, включая pH, углеродный цикл ( CO2, HCO3,H2CO3) и
седиментные органические вещества.
Слайд №17

18.

1.1.Базовый моделирующий комплекс
(БМК) гидродинамики и качества воды
• Модель может быть применена к любому числу рек,
водохранилищ, озер и эстуариев, последовательно
соединенных между собой. В модели учитываются
боковая
приточность
скорости,
температуры
и
характеристик качества воды, техногенные нагрузки от
точечных и рассредоточенных источников (сбросов)
загрязняющих веществ.
• Модель описывает процессы на границе раздела водаседименты
и
фильтрационный
приток/
отток
подземных вод.
• Модель обеспечивает имитационное воспроизведение
функционирования
сложных
инженерных
гидротехнических сооружений: различные типы плотин
и дамб, шлюзы, водозаборные станции и водоводы.
Слайд №18

19.

1.1.Базовый моделирующий комплекс
(БМК) гидродинамики и качества воды
Практическое применение модели требует от
команды пользователей знаний в следующих
областях:
1. Геофизическая гидродинамика.
2. Гидрология и гидротехника.
3. Гидробиология.
4. Гидрохимия.
5. Вычислительная математика.
6. Компьютерное программирование и моделирование.
7. Математическая статистика.
8. Базы данных и знаний.
Примеры и результаты применения модели гидродинамик и
качества вод приведены ниже
Слайд №19

20. Моделирующая составляющая ИМС

- 1.2 Численная мезо- и микромасштабная модель
термодинамики атмосферы над площадью
водосбора, позволяющая рассчитывать поля ветра,
температуры, влажности и осадков, перенос и
осаждение загрязняющих веществ в атмосфере и
на подстилающей земной поверхности (почво растительный и снежный покровы, озерно –
болотные угодия ,техногенные ландшафты и т.п.), а
так же тепломассоперенос в верхнем слое почвы и
водоемах (шаги сетки в атмосфере по горизонтали
порядка 0,1-10 км, по высоте – 10-100м, по глубине в
слое почво–грунтов и в водоемах –0,1 м.).
- Модель предназначена для диагноза ( в режиме реального
времени) и кратко- и среднесрочного прогноза
геофизических и геохимических переменных в системы:
атмосфера – поверхность суши – почвы и водоемы.
Слайд №20

21. Моделирующая составляющая ИМС

• Организация - разработчик модели термодинамики
атмосферы – земная поверхность – почво-грунты и
водоемы - Институт вычислительной математики
РАН (отв. исп. – член-корр. РАН д.ф.-м.н Лыкосов
В.Н.)
• В ИВМ РАН проведена адаптация мезомасштабной
негидростатической модели (ММ5) к территории
Западной Сибири.
– На следующем слайде приведено пространственное
распределение орографии постилающей поверхности в
варианте модели с вложенными областями: региональная
модель с шагами 30км по горизонтали (область 1),
мезомасштабные модели с шагами 10 км (область 2) и 3 км
(область 3)
Слайд №21

22. Моделирующая составляющая ИМС

Рис. 1. Структура вложенных территорий и орография подстилающей
поверхности для «сибирского варианта» модели ММ5
Слайд №22

23. Моделирующая составляющая ИМС

- 1.3 Численная модель фильтрации и сопряженного
водообмена взаимодействующими течениями
подземных и поверхностных вод, с учетом
процессов переноса загрязняющих веществ.
Разработка института гидродинамики им. М.А.
Лаврентьева СО РАН (отв. исп. – д.ф.-м.н.
Кашеваров А.А.).
Модель ИГД СО РАН может применяться для расчета
следующих компонентов водного стока:
- напорная и безнапорная фильтрация грунтовых
вод во взаимодействующих водных горизонтах;
- миграция влаги в зоне неполного насыщения;
- склоновый сток дождевых осадков и при таянии
снежного покрова.
Слайд №23

24. Моделирующая составляющая ИМС

• Модель позволяет
описывать водообменные процессы на
водосборных бассейнах, учитывать влияние друг на друга зон полного
и неполного насыщения, вертикальную неоднородность грунтов, вклад
фильтрационной составляющей в русловой сток и др. Течение
грунтовых вод моделируется уравнением плановой фильтрации.
В области моделирования речная сеть Пi
состоит
из
трех
водотоков П1 ,, П2 , П3 и
водоема с границей Г ,
подобластей Ω1, Ω2 с
разными
водопроводимостями, х откачные скважины, Ωd –
участок детализации, на
котором рассчитывается
миграция влаги в зоне
аэрации
Рис. 2. Пример области моделирования
Слайд №24

25. Моделирующая составляющая ИМС

- 1.4 Набор математических моделей, описывающих
эмиссию и распространение примесей от локальных
источников, приводящих к загрязнению земной
поверхности, поверхностных и подземных вод,
атмосферного воздуха (в том числе, модели
аварийного растекания жидких загрязняющих
веществ на различные типы микроландшафтов,
модели точечных и рассредоточенных источников
загрязнения водных объектов и атмосферы).
Подготовку набора моделей эмиссии загрязнителей
проводят консорциум разработчиков ИМС, включая
ИВЭП СО РАН, ИВМ РАН, ИГД СО РАН, ЮНИИИТ,
совместно с разработчиками и пользователями
указанных моделей.
Слайд №25

26. Ожидаемые результаты и информационно-технологические продукты по завершению разработки

2.
Информационная составляющая ИМС: проблемно –
ориентированная ГИС «Комплексное использование и охрана
водных объектов» с библиотекой электронных баз данных
(БД). В том числе: БД гидрологических, метеорологических,
гидрохимических, гидробиологических и гидрогеологических
наблюдений с информацией об источниках загрязнения и
гидротехнических сооружениях в зоне действия ИМС для
калибровки и верификации математических моделей, БД
выходной продукции моделирующей составляющей ИМС.
ГИС предназначена для решения прикладных инженерно технических задач водопользования и водопотребления, охраны
и управления состоянием водных и биологических ресурсов,
эксплуатации ГТС и водного транспорта. Разработку ГИС и БД
для бассейнов рек Оби и Иртыша осуществляют ЮНИИИТ, НПЦ
«Мониторинг», ИВЭП СО РАН и ЮГУ.
Слайд №26

27. Ожидаемые результаты и информационно-технологические продукты по завершению разработки

3. Концепция, проектное решение и прототип (для зоны
действия ИМС) автоматизированной системы сбора,
обработки, анализа и доведения до пользователей комплексной
информации(диагноз и прогностические оценки) о состоянии
водных объектов и других компонентов природной среды для
выработки управленческих решений в области использования и
охраны водных ресурсов.
Слайд №27

28. Особенности предлагаемой научно-технической разработки

• Междисциплинарный системный подход;
• Модульный принцип построения ИМС, основанный
на использовании высоких информационновычислительных технологий;
• Практическая направленность и многофункциональность по целям применения, приоритетность
которых
устанавливается
заказчиком(ами)
разработки и пользователями ИМС
Время реализации проекта – от 1 до 3 лет в зависимости от
масштабов и природно-технической сложности объектов и
территории для которых разрабатывается ИМС. Конкретный
выбор объектов, состав, архитектура и требования к ИМС, а так
же состав команд - исполнителей подлежат согласованию с
заказчиком(ами) научно – технической разработки.
Слайд №28

29. Примеры применения базовой модели гидродинамики и качества воды

• Основные этапы применения модели:
– определение объекта , целей и задач
моделирования,
– подготовка баз данных для моделирования
(геометрические данные, начальные и граничные
условия, гидравлические и кинетические
параметры),
– калибровка и верификация модели,
– анализ и оценка результатов моделирования.
Слайд №29 (Приложение)

30. Основные уравнения модели: гидродинамика

Слайд №30 (Приложение)

31. Модель динамики фосфора

водорослей
Дыхание
Эпифитон
Фотосинтез
Дыхание
Разложение
Фосфаты
Анаэробное
высвобождение
Седименты
Адсорбция/осажд
ение
Потери
системы
Седименты
ЛРОВ
МРОВ
ЛМОВ
УМОВ
УБПК
Слайд №31 (Приложение)

32. Модель динамики фитопланктона

Отмирание
Выделения
Фотосинтез
Отмирание
Лабильный РОВ
Лабильный МОВ
Фотосинтез
РК
Водоросли
Дыхание
Осаждение
Седименты
Неорганический С
Фосфаты
Амоний
Нитраты-Нитриты
Кремний
Слайд №32 (Приложение)

33. Модель растворенного кислорода

Седименты
Дыхание
Атмосфера
ЛРОВ
Аэрация
Водоросли
Растворенный
кислород
Фотосинтез
Разложение
Эпифитон
МРОВ
ЛМОВ
Нитрификация
Дыхание
Нитраты/нитриты
УМОВ
УБПК
Слайд №33 (Приложение)

34. Пример моделирования – речная система с водохранилищами

Река Bull Run. Река расположена в Орегоне и включает 2 водохранилища,
обеспечивающих водой город Портланд. Третье водохранилище вверх по течению
от существующих находится в стадии проектирования. Два участка свободно
текущей реки были смоделированы с уклоном 1,4% и 2,2%. Модель использовалась
для решения вопросов динамики системы по температуре и взвешенным
примесям.
Слайд №34 (Приложение)

35. Батиметрия

Модель батиметрии для водохранилищ 1 и 2 была создана за счет
объединения данных детальной съемки глубин и карт топографии
береговой зоны. Схема расчетной сетки в плане и изолинии глубин для
водохранилища 2 приведены на рисунке.
Слайд №35 (Приложение)

36. Характеристики расчетной сетки для модели реки и водохранилищ.

Слайд №36 (Приложение)

37. Характеристики расчетной сетки для модели реки и водохранилищ.

Слайд №37 (Приложение)

38. Таблица показывает ошибки расчетов уровня воды и расходов при сравнении с данными наблюдений

Слайд №38 (Приложение)

39. Сравнение результатов расчетов

Слайд №39 (Приложение)

40. Рассчитанные и измеренные концентрации трассера

Мост RT14
2.6 км от точки сброса
трассера, время (час)
Мост Ларсена,
4,2 км от точки сброса
Слайд №40 (Приложение)
Мост Боумен,
6,5 км от точки
сброса
наблюдения
--------- модель

41. Результаты моделирования р.Спокейн

Уровень воды
Слайд №41 (Приложение)

42. Результаты моделирования р.Спокейн

Расходы воды
Слайд №42 (Приложение)

43. Результаты моделирования р.Спокейн

Нитрат-нитриты
Слайд №43 (Приложение)

44. Результаты моделирования р.Спокейн

Биологически активный фосфор
Слайд №44 (Приложение)

45. Работа ЮНИИИТ по применению модели гидродинамики и качества воды

• Проведена интенсивная образовательная
подготовка потенциальных пользователей
БМК для сотрудников ЮНИИиТ, НПЦ"
Мониторинг", Окружного Гидрометцентра и
Югорского госуниверситета.Осуществлен
перевод «Руководства пользователя» с
английского на русский язык (объем 615 стр.),
разработан курс лекции и проводятся
практические занятия по дисциплине "
Моделирование водных экосистем" для
студентов факультета природопользования
ЮГУ;
Слайд №45 (Приложение)

46. Работа ЮНИИИТ по применению модели гидродинамики и качества воды

• создана база данных результатов
гидрологических наблюдений на р. Северная
Сосьва ( участок реки от г/п Сосьва до г/п
Сартынья) и метеорологических наблюдений
на м/c Сосьва за 2003год;
Слайд №46 (Приложение)

47. Работа ЮНИИИТ по применению модели гидродинамики и качества воды

• проведены пробные численные
эксперименты с гидродинамическим модулем
БМК по расчету гидрологических
характеристик( уровни, скорости течения,
температура) на указанном участке
р.С.Сосьва при реальном метеорологическом
форсинге и упрощенной аппроксимации
руслового канала;
Слайд №47 (Приложение)

48. Работа ЮНИИИТ по применению модели гидродинамики и качества воды

• проведены методические численные
эксперименты по воспроизведению
гидродинамики, гидрохимических и
гидробиологических характеристик качества
воды виртуального водохранилища,
являющегося «геометрическим близнецом»
водохранилища Дегрэй (США, Арканзас), и
гипотически размещенного на территории
Приполярного Урала (ХМАО).
Слайд №48 (Приложение)