Моделирование и прогнозирование в ПТК

;    при S_в + S_н = 1 и при   S_в + S_н = 0,        (7)

при  S_в^*< S_в < (1 – S_н^*)

С_вн =

;  при S_в = S_в^·     и при  S_в = 1— S_н^·  С_вн= 0,    (8)

где S_в и S_н — насыщенность водой и нефтепродуктом, то есть отношение объёма жидкости к объёму пор;   S_в^*  и S_н^* — насыщенность гидравлически неподвижной водой и нефтепродуктом для песка, соответственно 0,10…0,15  и  0,07…0,10; y -  гидростатическая или капиллярная составляющая напора: в зоне полного насыщения y_в > 0, а в капиллярной кайме y_в < 0.

Задача 3. Определить количество нефтепродукта в загрязненной толще.

Для определения запасов нефтепродуктов в загрязнённой толще необходимо определить проницаемость почвогрунта для воды и нефтепродукта, установить связь между гидростатической составляющей напора и насыщенностями (в условиях равновесия) и построить эпюру насыщенностей воды и нефтепродукта.

Проницаемость для воды определяется по формуле:

                        

;                                    (9)      0,032

Проницаемость для нефтепродукта определяется из уравнения:

 

, ,                       (10)

;

где - эмпирический коэффициент, для песка ;  S_в и S_н — насыщенность водой и нефтепродуктом, т.е. отношение объёма жидкости к объёму пор;     S_в^*  и S_н^* — насыщенность гидравлически неподвижной водой и нефтепродуктом.

При решении использована следующая связь между гидростатической составляющей напора и насыщенностями (в условиях равновесия):

          

,                                    (11)

где - гидростатическая или капиллярная составляющая напора воды;   h_в – характерное значение капиллярного напора, устанавливаемое экспериментально (задаётся преподавателем);    S_в и S_н — насыщенность водой и нефтепродуктом, то есть отношение объёма жидкости к объёму пор;   S_в^*  и S_н^* — насыщенность гидравлически неподвижной водой и нефтепродуктом.

Капиллярный скачёк давления на границе двух жидкостей определяется с помощью функции Леверетта:

        

,                                        (12)

где - капиллярный скачок давления на границе двух жидкостей;

h_вп – характерное значение капиллярного скачка, устанавливаемое экспериментально (задаётся преподавателем);   S_в и S_н — насыщенность водой и нефтепродуктом, то есть отношение объёма жидкости к объёму пор; S_в^*  и S_н^* — насыщенность гидравлически неподвижной водой и нефтепродуктом.

Зная изменение  и по глубине, можно получить эпюру насыщенности водой во всей загрязненной зоне: (рис. 1)

     

                                  (13)

Насыщенность нефтепродуктом в  зоне полного насыщения в капиллярной кайме определяется:

                          (14)

Проинтегрировав выражения (13,14), получаем формулы для определения объёмов нефтепродукта, как по всей загрязнённой толще, так и отдельно в зоне полного насыщения и в капиллярной кайме. Общие запасы нефтепродукта равны: _{, м³/м²,}

_{где Sn – средняя насыщенность.}

Средняя насыщенность определяется:

 

   ₍₁₅₎

_{Средняя насыщенность нефтепродуктом в  зоне полного насыщения  равна:}

,                  (16)

а количество нефтепродукта в этой зоне составят:

 м³/м².

 

 

 

2. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ функционирования ПРИРОДНО-ТЕХНОГЕННЫХ КОМПЛЕКСОВ

 

2.1 Общие понятия о  прогнозировании  процессов

в ПТК природообустройства

 

Прогнозирование — предсказание возможного поведения природных систем, определяемое естественными процессами и воздействиями на них  человеческой деятельности.

Одна из целей прогнозирования — сохранение природных ресурсов на высокопродуктивном уровне, в результате чего они могут быть использованы человечеством в течение неопределенно продолжительного времени.

Известны 2 типа экологического прогнозирования:

Поисковый — проведения определения возможных состояний в будущем. Они должны дать ответ на вопрос, что вероятнее всего произойдет при условии сохранения существующих тенденций.

Нормативный — прогнозирование достижения желательных состояний на основе заданных норм, целей. Он должен ответить на вопрос: какими путями достичь желаемого.

В основе прогнозирования, в комплексе, лежит, прежде всего, поисковое прогнозирование с задачей возможно более точного предсказания будущего состояния явления. Это связано с тем, что в настоящее время мы можем только познать закономерности существования и развития видов биогеоценозов, геосистем, и практически еще только приступаем к управлению этими системами.

В основе прогнозирования лежит  три источника информации о будущем:

1) оценка будущего состояния  прогнозируемого явления или  системы на основе опыта, аналогии  с известными явлениями или  процессами;

2) условное продолжение в будущем  тенденций, закономерностей, которые выявлены в прошлом и хорошо известны в настоящем;

3) модель будущего состояния  явления или системы, которая  построена на основе вскрытых закономерностей и имеющихся данных.

Указанные три источника информации определяют и три способа прогнозирования: 1) экспертные оценки;   2) экстраполирование и интерполирование;  3) моделирование.

Любой экологический прогноз основывается на наблюдаемых тенденциях и закономерностях рассматриваемого явления, и строить его надо не на субъективных решениях а на основе объективных научно обоснованных положениях.

Во временном аспекте в прогнозировании наиболее типичными являются принципы поисковые (без определения конкретного срока), краткосрочные (от 1 месяца  до  1 года); среднесрочные (от  1 до 5 лет); долгосрочные (от  5 до 15 лет).

При ведении мониторинга мелиоративных  земель прогнозирование можно проводить по трем методам:

• метод сравнительного анализа, который является одним из простейших и заключается в сравнительном анализе различных состояний, находящихся под воздействием тех или иных факторов;
• метод экстраполяций, основанный на продлении ранее устанавливаемых тенденций развития процессов и его динамику в будущем. На основе экстраполяций составляют краткосрочные и среднесрочные прогнозы;
• метод функциональных зависимостей основан на использовании для прогноза количественных и качественных зависимостей, установленных между факторами, влияющими на мелиоративное состояние и показателями прогнозируемого процесса.

Рассмотрим характеристику способов прогнозирования, которые могут быть использованы в природно-техногенной системе.

Экспертный (интуитивный) способ предсказания (метод Дельфи) — основан на логическом моделировании, проводимый группой экспертов независимых друг от друга, затем обсуждающих свои позиции на основе специальной математической обработки результатов и прогнозов. На основе этого метода составляются принципы региональных изменений природной среды, общие тенденции влияния проектируемого производства на среду, на стадии технико-экономического обоснования проектов.

Метод экстраполяции даёт возможность оценить будущее состояние экосистемы по результатам наблюдений ее прошлых и настоящих состояний, при этом используются вероятностные законы изменения ее характеристик. Наряду со знанием предыстории (например, лесостепь), необходимо иметь характеристику интересующего процесса (например, процесса опустынивания) показывающую статистическую связь между его значениями в наблюдаемыми последующими промежутками времени. Следует иметь ввиду, что с увеличением времени прогноза возможность ошибки будет расти.

Прогнозирование по математическому ожиданию состоит в том, что в качестве предсказуемого значения применяются математически ожидаемые процессы. При этом нужно знать некоторые свойства процесса. Ошибка прогноза представляет собой отклонение процесса от среднего в определенный момент времени. Он даёт наибольшую точность при значительных временных рядах.

Подобные алгоритмы прогнозирования  широко применяются в мелиорации. Но для этого необходимо глубокое познание процессов, протекающих в природе.

Объединения математических методов  с глубоким познанием процессов можно применять в прогнозировании экологических последствий в геосистемах.

Такое прогнозирование получило название экологических аналогий. При этом необходимо соблюдения принципа изоморфизма, т.е. наличие у сравниваемых объектов разного числа слагающих их компонентов, однотипности их строения и взаимодействия. Он призван обеспечить главное — равенство или сходство в ответных реакциях объекта и его аналога на равновеликие или близкие внешние воздействия. Чем больше разных в длительности функционирования промышленных предприятий, взятых в качестве аналога, и прогнозируемого нами объекта, тем выше ценность аналога для повышения эффективности прогноза.

В принципе, по аналогии, центральным  следует считать вопрос о том, действительно осуществляются ли все те изменения у каждого проектируемого объекта, которые ранее отмечены у аналога? Вероятностный характер всех без исключения прогнозов дает основание утверждать, что динамика развития данного объекта не будет точной копией уже реализованной динамики, его полным аналогом, поскольку неизбежны различия в эволюционировании аналога и объекта, прошлое не может точно повторяться в будущем.

Следует также иметь в виду, что экологическое прогнозирование по масштабам прогнозируемых явлений подразделяются на глобальные (физико-географические), региональные (в пределах материка), национальные (в пределах государства), локальные (для небольших территорий). В данной работе рассмотрены вопросы прогнозирования изменения минерализации грунтовых вод на мелиоративных системах и прогноз изменения общего гумуса с помощью метода функциональных зависимостей.

 

2.2 Определение изменения  минерализации грунтовых вод  на 

мелиоративных системах

 

Расчётный метод прогнозирования широко используется при оценке и прогнозе мелиоративных процессов, происходящих в природно-техногенном комплексе. Используя полученные данные элементарных анализов и несложных расчетов можно определить возможные изменения тех или иных мелиоративных показателей. Исходные данные для расчётов студент берёт из бланка заданий, выданного преподавателем.

 

Задача 4. Определить изменения минерализации грунтовых вод на мелиоративных системах и возможное поступление солей в почву из грунтовых вод при их испарении и транспирации.

Возможное изменение минерализации грунтовых вод определяется по формуле:

, г/л              (18)

                                

где  С₂ – прогнозируемая минерализация грунтовых вод, г/л;    С₁ – исходная минерализация грунтовых вод, г/л;  s – среднее содержание солей в почвогрунте, %; – доля грунтовых вод в подъеме их уровня;   a – количество солей, переходящих из почвы в грунтовую воду в долях единицы;   d – плотность почвы, г/см³;    m – порозность в долях единицы.

Поступление солей в почву из грунтовых вод при испарении  и транспирации определяется по формуле:

,                         (19)

                          где S_гр - внос солей в почву (вторичное засоление определенного слоя почвы за конечный период времени), %;    С_n – прогнозируемая минерализация с учетом разбавления пресными инфильтрационными водами, г/л;     Н – величина слоя грунтовых вод, расходуемых на испарение и транспирацию, мм;  d – плотность почвы, г/см³;  h – мощность верхнего слоя почвы, см.

Прогнозируемая минерализация (С_n) c учетом разбавления пресными инфильтрационными водами составляет:

С_n =4*С_2,    г/л                        (20)                                                                 С_n =4*3,601=14,40_,   

Вторичное засоление данного слоя почвы в первый год выразится:

%.                     (21)

Ввиду того, что солевой баланс составляет примерно 40 % от вторичных солей:

%.                        (22)

Следовательно, к началу второго  вегетационного периода в верхнем  слое почв сохранится солей. Во второй вегетационный период снова накопится солей.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Литература

 

1. Цивина И.М. Природно-техногенные комплексы и основы природообустройтва. Курс лекций для студ. направл. 280100 – «Природообустройство и водопользование» / И.М.Цивина; НГМА. - Новочеркасск: НГМА,2013. - 79 с.
2. Природно-техногенные комплексы и основы природообустройтва.[Текст]: метод.указ. к выполн. расчётно-графич. Работы для студ. Направл. 280100 - «Природообустройство и водопользование»/ И.М.Цивина; НГМА. - Новочеркасск: НГМА,2013. - 18 с.
3. http://3ys.ru/tekhnogennye-sistemy-ikh-vzaimodejstvie-s-okruzhayushchej
4. http://www.voronova-on.ru/prirodopolzovanie/kachestvo/Prurodatexnogennaqkompleks/index.html