- •Реферат
- •Содержание
- •Предисловие
- •Введение. Предмет и задачи учебных дисциплин
- •1. Введение в информатику
- •1.1. Определение информации
- •1.2. Свойства информации
- •1.3. Информационные процессы
- •1.4. Процесс хранения информации
- •1.5. Процесс обработки информации
- •1.6. Процесс передачи информации
- •2. Системный подход к гидроло-экологическим расчетам
- •2.1. Общие положения
- •Общие положения, задачи гидроэкологии
- •Место гидроэкологии в системе наук
- •Основные положения системного подхода
- •Системный подход в гидроэкологических исследованиях
- •2.1.1. Полевые наблюдения
- •2.1.2. Эксперимент
- •2.1.3. Моделирование
- •Общие принципы моделирования
- •2.2. Общая схема системного подхода
- •2.2.1. Постановка задачи
- •2.2.2. Концептуализация
- •2.2.3. Спецификация
- •2.2.4. Наблюдения
- •2.2.5. Идентификация
- •2.2.6. Эксперименты
- •2.2.7. Реализация модели
- •2.2.8. Проверка модели
- •2.2.9. Исследование модели
- •2.2.10. Оптимизация
- •2.2.11. Заключительный синтез
- •Моделирование водных экосистем
- •Оптимизационные модели в гидроэкологии
- •3. Основы алгоритмизации (для лабораторных работ по гидрологии)
- •3.1. Введение
- •3.2. Алгоритмические действия
- •3.3. Определение алгоритма и основные требования
- •3.4. Приведение к процедурному представлению
- •3.5. Типовые процедуры
- •4. Представление программных документов
- •4.1. Положение о фонде алгоритмов и программ
- •1. Oбщиe положения
- •2. Состав материалов на програмные средства, представляемых в фап ипс ран
- •4. Доступ к материалам фонда и их использование
- •5. Состав, содержание и порядок оформления материалов пpoгpaмныx средств
- •4.2. Отраслевой фонд алгоритмов и программ (офап)
- •4.3. Правила оформления программных документов
- •4.3.1. Текст программы. Требования к содёржанию и оформлению
- •1. Общие требования
- •2. Титульная часть
- •4. Основная часть
- •4.4. Виды программ и программных документов
- •1. Виды программ
- •2. Виды программмых доkуmehtоb
- •4.5. Описание программы
- •4.6. Описание применения
- •5. Математические модели качества воды
- •5.1. Принципы математического моделирования качества воды водотоков
- •5.2. Расчеты процессов конвективно-диффузионного переноса (кдп)
- •5.2.1. Построение математической модели качества воды на основе схематизации процесса кдп и пв
- •5.2.1.1. Сущность метода кдп и пв
- •I рода II рода III рода
- •5.2.1.2. Схематическое описание процессов кдп и пв
- •5.2.1.3. Определение краевых условия для моделирования
- •5.2.2. Методы решения типовых задач кдп и пв
- •5.2.2.1. Методы, использующие разложение в ряд Тейлора [8, 9, 10]
- •5.2.2.2. Метод Эйлера [10, 11]
- •5.2.2.3. Методы Рунге-Кутта [10,11, 13, 14]
- •5.2.2.4. Применение метода конечных разностей для решения уравнений кдп и пв
- •5.2.2.5. Применение метода сеток для решения уравнений кдп и пв
- •5.2.2.6. Методы непосредственного моделирования
- •5.2.2.7. Применение метода схемотехнического моделирования
- •5.3. Имитационное моделирование задач формирования качества воды при различных видах техногенной нагрузки
- •Принципы моделирования
- •5.4. Пример постановки задачи формирования качества воды (модели распространения загрязнений в основном русле р. Невы)
- •5.4.1. Гидрологическая оценка объекта исследования (реки Нева)
- •5.4.1.1. Общая характеристика гидросистемы
- •5.4.1.2. Сток воды р. Невы и его распределение по рукавам дельты (гидравлическая схема расчета)
- •5.4.1.3. Расчетные формулы
- •5.4.1.5. Расчет поперечной диффузии
- •5.4.1.6. Расчет параметров створа
- •5.4.1.7. Конфигурация рассеивающего источника задаётся следующим способом
- •5.5. Оценка параметров для моделей прогнозирования качества воды в исследуемой системе
- •5.6. Результаты моделирования бассейна р. Невы с использованием пакета «Гидроэкопрогноз 2.97.001»
- •5.6.1. Расчетный участок
- •5.6.2. Параметры расчётной модели
- •5.6.3. Основные результаты и выводы по расчетам
- •5.7. Невская Губа
- •5.7.1. Краткая характеристика Невской губы
- •5.7.2. Моделирование прибрежных зон Финского залива (Краткое описание модели экосистемы Финского залива) [26]
- •5.7.3. Список литературы
- •6. Гидрологические расчеты распространения примесей
- •6.1. Постановка задачи
- •6.2. Выбор схемы решения задачи массопереноса в воде
- •6.3. Литература
- •7. Методические указания к практикуму «Расчеты тепломассопереноса в реках и водоемах»
- •7.1. Общие положения
- •7.2. Условия однозначности
- •7.3. Методы решения задач
- •7.4. Практикум «Расчеты тепломассопереноса в реках и водоемах»
- •7.4.1. Задача 1. Расчёт вертикального распределения температуры воды в водоёме при открытой водной поверхности (без учёта факторов гидродинамики)
- •7.4.1.1. Постановка задачи
- •7.4.1.2. Пример решения
- •7.4.2. Задача 2. Расчёт теплообмена в ложе водоёма
- •7.4.2.1. Постановка задачи
- •7.4.2.2. Пример решения
- •7.4.3. Задача 3. Расчёт среднедневного и среднедекадного значения коэффициента теплопроводности для слоя снега при постоянной его плотности
- •7.4.3.1. Постановка задачи
- •7.4.3.2. Пример решения
- •7.4.4. Задача 4. Расчёт разбавления сточных вод в реках по методу а.В. Караушева (плоская задача)
- •7.4.4.1. Постановка задачи
- •7.4.4.2. Пример решения
- •7.4.5. Задача 5. Расчёт теплопереноса в водотоке
- •7.4.5.1. Постановка задачи
- •7.4.5.2. Пример решения
- •Литература
- •8. Приложения Министерство образования Российской Федерации
- •Программа учебной дисциплины «применение методов информатики в гидрологии»
- •012700 – Гидрология суши
- •Пояснительная записка
- •I организационно-методические указания
- •II объем и распределение часов курса по видам занятий. Формы контроля Продолжительность изучения 1 семестр Общая трудоёмкость дисциплины 109 часов
- •III содержание курса
- •Раздел 1. Введение (2л)
- •Раздел 2. Персональный компьютер. (4л 4с)
- •Раздел 3. Операционные системы. (4л 6с)
- •Раздел 4. Графические пользовательские оболочки операционной системы мс-дос (6л 6с)
- •Раздел 5. Операционная система windows. (6л 8с)
- •Раздел 6. Проводник. (2л 2с)
- •Раздел 7. Текстовые редакторы. (6л 8с)
- •Раздел 8. Библиотечные процессоры. (8л 8с)
- •Раздел 9. Общие сведения о программировании на языках высокого уровня. (4л 2с)
- •Раздел 10. Работа с кампилятором turbo-pascal. (10л 10с)
- •Раздел 11. Основы информационной безопасности (4л 2с)
- •Самостоятельная работа
- •IV. Литература Основная
- •Министерство образования Российской Федерации
- •Программа учебной дисциплины «применение эвм в гидрологии»
- •012700 – Гидрология суши
- •Пояснительная записка
- •I организационно-методические указания
- •II объем и распределение часов курса по видам занятий. Формы контроля Продолжительность изучения 1 семестр Общая трудоёмкость дисциплины 137 часов
- •III содержание курса
- •Раздел 1. Введение (2л)
- •Раздел 2. Правила оформления программных документов. (4л 4с)
- •Раздел 3. Требования к организации информации при использовании эвм. (6л 6с)
- •Раздел 4. Этапы системного анализа и их взаимосвязь. (4л 6с)
- •Раздел 5. Моделирование и математические модели. (6л 8с)
- •Раздел 6. Организация вычислительного процесса. (6л 8с)
- •Самостоятельная работа
- •IV. Литература
- •Вопросы по информатике
5.3. Имитационное моделирование задач формирования качества воды при различных видах техногенной нагрузки
Основной особенностью имитационного моделирования различных типов задач КДП и ПВ являются многовариантные эксперименты с численным изменением краевых условий (начальных и граничных). Целью моделирования в большинстве случаев является предсказать качество воды в водном объекте на определённом расстоянии от того или иного источника сброса сточных вод, то есть в контрольном створе.
Принципы моделирования
Имитационное моделирование базируется на основных принципах моделирования, в сжатой форме отражающих большой опыт, накопленный к настоящему времени в области разработки и использования математических моделей, которые приведены ниже.
Принцип информационной достаточности.
При полном отсутствии информации об исследуемой системе построение её модели невозможно. При наличии полной информации о системе её моделирование лишено смысла. Существует некоторый критический уровень априорных сведений о системе (уровень информационной достаточности), при достижении которого может быть построена её адекватная модель.
Принцип осуществимости.
Создаваемая модель должна обеспечивать достижение поставленной цели исследования с вероятностью, существенно отличающейся от нуля, и за конечное время. Обычно задают некоторое пороговое значение Р0 вероятности достижения цели моделирования Р(t), а также приемлемую границу t0 времени достижения этой цели. Модель считают осуществимой, если может быть выполнено условие Р(t0) P0.
Принцип множественности моделей.
Данный принцип является ключевым. Речь идёт о том, что создаваемая модель должна отражать в первую очередь те свойства реальной системы (или явления), которые влияют на выбранный показатель эффективности. Соответственно при использовании любой конкретной модели познаются лишь некоторые стороны реальности. Для более полного её исследования необходим ряд моделей, позволяющих с разных сторон и с разной степенью детальности отражать рассматриваемый процесс.
Принцип агрегирования.
В большинстве случаев сложную систему можно представить состоящей из агрегатов (подсистем), для адекватного математического описания которых оказываются пригодными некоторые стандартные математические схемы. Принцип агрегирования позволяет, кроме того, достаточно гибко перестраивать модель в зависимости от задач исследования.
Принцип параметризации.
В ряде случаев моделируемая система имеет в своём составе некоторые относительно изолированные подсистемы, характеризующиеся определённым параметром, в том числе векторным. Такие подсистемы можно заменять в модели соответствующими числовыми величинами, а не описывать процесс их функционирования. При необходимости зависимость значений этих величин от ситуации может задаваться в виде таблицы, графика или аналитического выражения (формулы). Принцип параметризации позволяет сократить объём и продолжительность моделирования. Однако надо иметь в виду, что параметризация снижает адекватность модели. [21,23]
Конечной целью любой имитационной модели является описать и предсказать ответную реакцию водной среды на ту или иную форму воздействия. При этом схема реакции является результатом достаточно большого числа процессов, которые протекают в среде. Операциями являются следующие процессы, которые часто описываются самостоятельной подмоделью.
Перенос вещества и разбавление сточных вод. Для описания этих процессов требуются данные по гидрологии и гидродинамике водных объектов; анализ течений, турбулентной диффузии и т.д.
Осаждение трудно разложимых примесей, вторичное загрязнение. Эти вопросы, как правело, требуют специальных экспериментальных исследований.
Распад легко разложимых примесей, самоочищение водной среды. Хронологически, первым описанием этих процессов были уравнения Ф-С, включающие в себя две переменные: качество БПК и растворённый кислород. Причем уравнения линейны по данным переменным и модель Ф-С не учитывает в должной мере динамики водных систем, ответственных за процессы разложения. В настоящее время в инженерной практике используют бимолекулярную модель и более сложные модели процессов самоочищения, включающие в качестве переменных различные трофические уровни экосистем.
Термическое загрязнение. В качестве анализа гидрологического и гидродинамического объекта. Исследование термического режима объекта имеет не только самостоятельное значение. Поскольку, интенсивность жизненных процессов существенно зависит от температуры, адекватное описание процессов самоочищения водной среды невозможно без учета температурного режима. В инженерной практике исследование поведения динамических кривых растворенного кислорода, фосфора в зависимости от интенсивности термических загрязнений и величин БПК. Часто при решении инженерных задач помимо БПК и растворенного кислорода в моделях рассматриваются профили концентраций хлоридов, аммиака, взвешенных частиц и множество других показателей, в зависимости от термических загрязнений [23].
В соответствии с современными положениями о нормировании техногенной нагрузки в рамках данной работы предполагается основное внимание уделить п. 1, то есть прогнозу переноса вещества и разбавления сточных вод.
Для расчётов разбавления сточных вод в реках и водоёмах в качестве основных должны рассматриваться методы, основанные на использовании численных решений уравнений турбулентной диффузии. Различают детальные и упрощённые методы. Детальные методы расчёта представляют собой непосредственные решения уравнений, а упрощённые – строятся на аналитической или графической аппроксимации этих решений.
Математическое прогнозирование в соответствии с рисунком 2.5 заключается в использовании имеющейся информации об объекте прогнозирования, обработке этой информации математическими методами, получении зависимости связывающей эти характеристики со временем или с некоторыми другими независимыми переменными и вычислении характеристик объекта в заданный момент времени при заданных значениях других независимых переменных. Нахождение закономерности в поведении прогнозируемого объекта позволяет построить его математическую модель, которая вследствие явления изоморфизма позволяет исследовать реальные физические процессы путем их математического моделирования. Одинаковые по форме математические выражения при различном физическом содержании входящих в них символов получили название «изоморфные» [3].
На рис. 2.6 представлена схема, показывающая связь и место имитационной модели в общей системе «водопользователь - водный объект – модель - экологические нормативы». На основании условий сохранения экологического равновесия в водном объекте и с учётом механизмов саморегуляции водных экосистем, а также всех аспектов функционирования предприятий-водопользователей, определяются нормативы ПДВВ, согласующиеся с экологическими стандартами. В соответствии с типом водного объекта и поставленными целями составляется расчётная схема, в соответствии с которой строится имитационная модель. На основании экологических стандартов и показателей, отражающих основные функции экосистемы, характеристик водопользователей и параметров водного объекта задаются начальные и граничные условия, определяются параметры модели. В соответствии с расчётом по построенной модели определяются допустимые нормативы сброса и, соответственно, необходимые мероприятия по улучшению технологий и т. п. водопользователей.
Р ис. 2.5. Структурная блок-схема прогнозирования
Где: ---------------- вычислительные операции; исследовательские операции.
Современная методология оценки предельно-допустимых вредных воздействий (ПДВВ) на водный бассейн или его часть вызвала необходимость разработки и внедрения технических и программных средств нового поколения. Эти средства в соответствии с постановкой задачи математического моделирования переноса и превращения загрязняющих веществ должны реализовать не только переменные гидролого-морфологические, гидродинамические характеристики на отдельных участках водного бассейна, но и все имеющиеся сосредоточенные и диффузные источники загрязнения, а также естественные притоки. Основные блоки данной системы представлены на рисунке 2.6.
Решить такого рода задачи возможно с использованием современных средств имитационного схемотехнического моделирования речного бассейна. Основные принципы и элементы программного обеспечения описаны в ряде работ [24, 25]. В качестве теоретических основ имитационного схемотехнического моделирования речного бассейна и построения типовых расчётных моделей использованы работы [5, 6, 16, 19, 26].