Санкт-Петербургский государственный университет

________________________________________________________________________________

Факультет географии и геоэкологии

Конспект лекций по информатике и применению ЭВМ

в гидрологии и водной экологии и методические указания

к практикуму

«ГИДРОФИЗИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ»

Учебно-методическое пособие

Трушевский В.Л.

Санкт-Петербург

2008

Реферат

В предлагаемом конспекте лекций изложена терминологическая основа информатики, общая схема системного подхода к изучению гидро и экосистем. Принципы математического моделирования качества воды водных объектов. Теоретические основы методов решения типовых задач КДП и ПВ. Пример постановки задачи формирования качества воды (модели распространения загрязнений в основном русле р. Невы). Даны рекомендации и нормативы составления сопровождающих программы документов. В приложении представлены программы учебных дисциплин «Применение методов информатики в гидрологии» и «Применение ЭВМ в гидрологии», а также соответствующие экзаменационные вопросы.

В учебно-методическом пособии к практикуму по применению ЭВМ в гидрологии рассмотрены основы постановки и решения типичных задач моделирования гидрологических процессов в водоемах и водотоках. В пособии приведены примеры постановки и решения таких характерных задач как тепломассоперенос в водотоке (линейная задача), распространение загрязнений (плановая задача), выхолаживание водоема, распространение тепла в ложе водоема и тепломассоперенос в водоеме (плоская задача). Практические работы в пособии представлены в следующем виде: сущность и задача конкретного примера расчета в гидрологии, условия и порядок выполнения работы, отчетные материалы и контрольные вопросы.

Конспект лекций и учебно-методическое пособие в первую очередь предназначено для студентов по специальности «Гидрология суши», для студентов-географов гидрометеорологических специальностей, а также может быть полезным специалистам, работающим в области изучения водных объектов и их охраны.

Табл. 31. Рис. 32. Библ. 10.

Содержание

Реферат 2

Содержание 3

Предисловие 8

Введение. Предмет и задачи учебных дисциплин 9

1. Введение в информатику 11

1.1. Определение информации 11

1.2. Свойства информации 12

1.3. Информационные процессы 12

1.4. Процесс хранения информации 13

1.5. Процесс обработки информации 13

1.6. Процесс передачи информации 14

2. Системный подход к гидроло-экологическим расчетам 17

2.1. Общие положения 17

Место гидроэкологии в системе наук 17

Системный подход в гидроэкологических исследованиях 23

2.1.1. Полевые наблюдения 24

2.1.2. Эксперимент 29

2.1.3. Моделирование 31

Общие принципы моделирования 31

2.2. Общая схема системного подхода 40

2.2.1. Постановка задачи 41

2.2.2. Концептуализация 43

2.2.3. Спецификация 45

2.2.4. Наблюдения 45

2.2.5. Идентификация 45

2.2.6. Эксперименты 46

2.2.7. Реализация модели 46

2.2.8. Проверка модели 46

2.2.9. Исследование модели 47

2.2.10. Оптимизация 48

2.2.11. Заключительный синтез 48

Моделирование водных экосистем 49

Оптимизационные модели в гидроэкологии 51

3. Основы алгоритмизации (для лабораторных работ по гидрологии) 55

3.1. Введение 55

3.2. Алгоритмические действия 55

3.3. Определение алгоритма и основные требования 58

3.4. Приведение к процедурному представлению 60

3.5. Типовые процедуры 62

4. Представление программных документов 63

4.1. Положение о фонде алгоритмов и программ 63

4.2. Отраслевой фонд алгоритмов и программ (ОФАП) 65

4.3. Правила оформления программных документов 66

4.4. Виды программ и программных документов 68

4.5. Описание программы 70

4.6. Описание применения 71

5. Математические модели качества воды 72

5.1. Принципы математического моделирования качества воды водотоков 72

5.2. Расчеты процессов конвективно-диффузионного переноса (КДП) 73

5.2.1. Построение математической модели качества воды на основе схематизации процесса КДП и ПВ 74

5.2.1.1. Сущность метода КДП и ПВ 74

74

5.2.1.2. Схематическое описание процессов КДП и ПВ 78

5.2.1.3. Определение краевых условия для моделирования 78

5.2.2. Методы решения типовых задач КДП и ПВ 79

5.2.2.1. Методы, использующие разложение в ряд Тейлора [8, 9, 10] 79

5.2.2.2. Метод Эйлера [10, 11] 80

5.2.2.3. Методы Рунге-Кутта [10,11, 13, 14] 80

5.2.2.4. Применение метода конечных разностей для решения уравнений КДП и ПВ 82

5.2.2.5. Применение метода сеток для решения уравнений КДП и ПВ 84

5.2.2.6. Методы непосредственного моделирования 84

5.2.2.7. Применение метода схемотехнического моделирования 85

5.3. Имитационное моделирование задач формирования качества воды при различных видах техногенной нагрузки 89

Принципы моделирования 89

5.4. Пример постановки задачи формирования качества воды (модели распространения загрязнений в основном русле р. Невы) 93

5.4.1. Гидрологическая оценка объекта исследования (реки Нева) 94

5.4.1.1. Общая характеристика гидросистемы 94

5.4.1.2. Сток воды р. Невы и его распределение по рукавам дельты (гидравлическая схема расчета) 95

5.4.1.3. Расчетные формулы 97

5.4.1.5. Расчет поперечной диффузии 97

5.4.1.6. Расчет параметров створа 99

5.4.1.7. Конфигурация рассеивающего источника задаётся следующим способом 99

5.5. Оценка параметров для моделей прогнозирования качества воды в исследуемой системе 99

5.6. Результаты моделирования бассейна р. Невы с использованием пакета «Гидроэкопрогноз 2.97.001» 102

5.6.1. Расчетный участок 102

5.6.2. Параметры расчётной модели 107

5.6.3. Основные результаты и выводы по расчетам 110

5.7. Невская Губа 112

5.7.1. Краткая характеристика Невской губы 112

5.7.2. Моделирование прибрежных зон Финского залива (Краткое описание модели экосистемы Финского залива) [26] 114

5.7.3. Список литературы 115

6. Гидрологические расчеты распространения примесей 118

6.1. Постановка задачи 118

6.2. Выбор схемы решения задачи массопереноса в воде 119

6.3. Литература 123

7. Методические указания к практикуму 125

«Расчеты тепломассопереноса в реках и водоемах» 125

7.1. Общие положения 125

7.2. Условия однозначности 128

7.3. Методы решения задач 130

7.4. Практикум «Расчеты тепломассопереноса в реках и водоемах» 133

7.4.1. Задача 1. Расчёт вертикального распределения температуры воды в водоёме при открытой водной поверхности (без учёта факторов гидродинамики) 133

7.4.1.1. Постановка задачи 133

7.4.1.2. Пример решения 134

7.4.2. Задача 2. Расчёт теплообмена в ложе водоёма 135

7.4.2.1. Постановка задачи 135

7.4.2.2. Пример решения 136

7.4.3. Задача 3. Расчёт среднедневного и среднедекадного значения коэффициента теплопроводности для слоя снега при постоянной его плотности 137

7.4.3.1. Постановка задачи 137

7.4.3.2. Пример решения 138

7.4.4. Задача 4. Расчёт разбавления сточных вод в реках по методу А.В. Караушева (плоская задача) 138

7.4.4.1. Постановка задачи 138

7.4.4.2. Пример решения 140

7.4.5. Задача 5. Расчёт теплопереноса в водотоке 141

7.4.5.1. Постановка задачи 141

7.4.5.2. Пример решения 144

7.6. Литература 147

8. Приложения 148

Рассмотрено и рекомендовано 149

на заседании кафедры 149

гидрологии суши 149

протокол № 6 149

дата «21» февраля 2003 г. 149

УТВЕРЖДАЮ 149

Декан факультета 149

зав.кафедрой______________ 149

В.С. Вуглинский 149

_________________________ В.В.Дмитриев 149

«___»__ _________2003 г 149

8.1. Программа учебной дисциплины 149

«ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДОВ ИНФОРМАТИКИ В ГИДРОЛОГИИ» 149

САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА 153

Рассмотрено и рекомендовано 155

на заседании кафедры 155

гидрологии суши 155

протокол № 6 155

дата «21» февраля 2003 г. 155

УТВЕРЖДАЮ 155

Декан факультета 155

зав.кафедрой______________ 155

В.С. Вуглинский 155

_________________________ В.В.Дмитриев 155

«___»__ _________2003 г 155

8.2. Программа учебной дисциплины 155

«ПРИМЕНЕНИЕ ЭВМ В ГИДРОЛОГИИ» 155

САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА 158

8.3. Вопросы по информатике 160