- •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
Оптимизационные модели в гидроэкологии
В п. 1.2, где рассматривалось место гидроэкологии в системе наук, отмечалось, что область исследования гидроэкологии тесно связана с вопросами управления водными ресурсами (водный менеджмент). Для иллюстрации этой связи кратко рассмотрим основные положения оптимизационного моделирования в экологии.
Основной задачей менеджмента является поиск и принятие эффективных управленческих решений, и для решения этих задач также широко используется метод моделирования. При этом используются оптимизационные модели, принципиально отличающиеся от рассматривавшихся ранее моделей экосистем, которые являются имитационными.
Оптимизационные модели – это модели, предполагающие нахождение экстремума (минимума или максимума) целевой функции (цели оптимизации, при заданной системе ограничений на целевую функцию. Имитационные модели служат цели воспроизведения реальной системы на искусственной модели для изучения механизмов взаимодействия между различными компонентами экосистемы, влияния воздействия на нее различных внешних факторов. Оптимизационные модели используются для поиска наилучшего варианта решения на основе заданных входных данных и ограничений.
Что "оптимизируют" в оптимизационных моделях водного менеджмента?
Эти модели являются по своей сути эколого-экономическими. В них водный объект рассматривается как часть водохозяйственной системы (ВХС). ВХС служит объектом математического эколого-экономического моделирования. Водохозяйственная система – это связанные между собой водные объекты, гидротехнические, водопроводные, канализационные и другие сооружения, предназначенные для обеспечения рационального использования и охраны вод. Компонентами водохозяйственного комплекса являются в разных сочетаниях, в зависимости от целей создания и природно-экономической ситуации, энергетика, ирригация, водный транспорт, лесосплав, водоснабжение, рыбное хозяйство и др. Эти компоненты взаимодействуют между собой и влияют друг на друга и водохозяйственную систему в целом. Задачей управления ВХС является обеспечения устойчивого функционирования системы в целом на основе сбалансированного сочетания экономических, социальных и экологических факторов, учета интересов населения, народного хозяйства и вопросов охраны окружающей среды.
Вопросы устойчивого развития тесно связаны с вопросами экологии, изучения взаимодействия человека и природы, поэтому управление водными ресурсами переплетается с задачами гидроэкологии.
Эколого-экономическое моделирование ВХС также основано на принципах системности. Выше по тексту было приведено определение ВХС как системы, состоящей из элементов, между которыми существуют связи. Моделирование водохозяйственной системы должно обеспечить целостное представление о развитии водного хозяйства. Поэтому в рассмотрение должны включаться основные взаимосвязи между элементами ВХС при условии, что они превалируют над изучением элементов как таковых и закономерностей внутри них.
ВХС можно расчленить на иерархические уровни по территориально-отраслевому принципу. Система моделей водохозяйственного планирования включает уровни страны, региона, речного бассейна, типового водопотребителя.
Структурными единицами при региональном районировании территории являются речные бассейны. Водохозяйственные районы должны быть самостоятельными в границах рассматриваемых речных бассейнов. Это предполагает определенную однородность в характере использования воды и закономерностях формирования водных ресурсов. На любом уровне агрегирования водохозяйственный район должен удовлетворять требованиям производственно-экономического, гидрологического (ресурсного) и природного районирования. Изучение взаимодействий между районами позволяет выделить в системе водного хозяйства подсистемы со слабыми связями между ними и построить иерархическую систему моделей планирования и управления.
Свойства моделей водохозяйственного планирования определяются следующими особенностями ВХС:
1. Сложность структуры из-за разнородности взаимодействующих элементов-водотоков, водохранилищ, каналов, гидроэлектростанций, промышленных предприятий, орошаемых массивов и т.д.;
2. Межотраслевой характер использования водных ресурсов, приводящий к противоречиям между участниками водохозяйственного комплекса;
3. Динамичность развития системы в многолетнем плане с соответствующим изменением структуры и параметров и изменчивостью поступления и отбора воды внутри года, что требует выработки специальных правил управления и исследования надежности принимаемых решений;
4. Необходимость оценки последствий антропогенного воздействия на природную, и в частности водную, среду и выработки мер, направленных на предотвращение возможных отрицательных последствий функционирования ВХС, выражающихся в загрязнении водных объектов, засолении и деградации почв, обмелении рек, эвтрофикации водоемов и т.д. (Пряжинская В.Г., Рикун А.Д., Шнайдман В.М. Математическое моделирование в управлении водными ресурсами. М.: Наука, 1988, стр. 26).
В настоящее время уже накоплен значительный опыт решения оптимизационных производственных задач. Однако попытки применения методов оптимизации в сложных эколого-экономических системах встречают серьезные трудности. Прежде всего это трудности выбора критерия. Рассмотрим для примера оптимизационные модели в планировании водоохранных мероприятий.
Загрязнение водных источников вызывает у водопотребителей дополнительные затраты на водоподготовку, приводит к ухудшению условий жизни населения и уменьшению жизнеспособности или полной деградации экосистем. Но мероприятия по оздоровлению водных ресурсов чрезвычайно дорогостоящие. Именно поэтому во многих работах предлагается учитывать эффект от природоохранной деятельности на основе компенсаций предотвращенного ущерба.
К сожалению, до сих пор не существует общепризнанных методик определения ущербов от загрязнения окружающей природной среды. Это связано с тем, что если дополнительные затраты на водоподготовку и потери в производстве относительно легко оценить в денежном выражении, то ухудшение жизненных условий населения, а тем более будущие потери из-за нарушения равновесия в природной среде гораздо труднее определить в стоимостном виде.
В настоящее время в практике планирования водоохранных мероприятий более распространен нормативный подход. В этом случае экологические ограничения вводятся в модель в виде экзогенно заданных показателей качества сточных (предельно допустимые сбросы — ПДС) или естественных вод (предельно допустимые концентрации — ПДК). В соответствующих математических моделях в качестве критерия оптимизации используется минимум приведенных затрат на реализацию водоохранных мероприятий. При таком подходе не анализируется экономическая достижимость найденных решений, а основные трудности формирования задач связаны с определением зависимости затрат от выбираемых вариантов технологии обработки сточных вод.
Определение эффективности водоохранных мероприятий на основе минимизации затрат при достижении нормативов качества воды, в свою очередь, имеет ряд недостатков:
- неучет величины экономического эффекта от охраны среды, т.е. абсолютной эффективности,
- величина сокращения выбросов не равнозначна предотвращенным потерям народного хозяйства от загрязнения среды, так как они зависят и от количества населения, проживающего в данной местности, и от величины основных производственных фондов, сельскохозяйственных, лесных и рыбных угодий, подвергающихся негативным воздействиям загрязнения;
- получающиеся решения могут оказаться неустойчивыми в случае, когда фоновые концентрации загрязнений близки к уровню ПДК.
Принципиальная трудность моделирования комплексных эколого-экономических систем заключается в необходимости сопряжения в одно целое моделей и показателей существенно различной степени изученности и точности. Искусство системного подхода здесь заключается в выборе структуры и степени агрегированности составных частей модели, их оптимальном согласовании.
Построение агрегированных показателей состояния эколого-экономических систем (индексы качества, функции полезности и т.д.) — неординарный процесс. Мы еще не умеем обоснованно соизмерять возможный ущерб от нарушения условий существования сложившихся экосистем с теми экономическими благами, которые может получить при этом человеческое общество. Включение в математическую модель, например, условия выполнения норм (ПДК) для различных загрязнителей означает сужение области допустимых состояний системы природа—общество до подмножества, где требования охраны природной среды выполняются с заданным запасом надежности и обеспечивают поддержание равновесия системы при ее функционировании. В терминах функции эколого-экономической полезности учет природоохранных условий лишь в качестве ограничений означает сужение области определения этой функции на подмножество, где ее изменение по чисто природным аргументам есть величина пренебрежимая по сравнению с вариацией по экономическим параметрам Пряжинская В.Г., Рикун А.Д., Шнайдман В.М. Математическое моделирование в управлении водными ресурсами. М.: Наука, 1988, стр. 49).
Значительные трудности при составлении оптимизационной модели может вызвать и этап подготовки и сбора исходных данных. Например, для составления модели оценки перспектив развития водного хозяйства на уровне определенной территории (район, регион, страна) необходим сбор весьма разнообразных данных. Получение такой информации, как потребность в водоемких видах продукции, урожайность культур и продуктивность животноводства, а также показатели естественного увлажнения, располагаемых водных, трудовых, земельных и иных ресурсов, экономические и экологические показатели и многое другое требует организации специальных исследований.
Основные исходные материалы для оптимизации развития водного хозяйства - проработки проектных, плановых и научно-исследовательских институтов, дающие обобщенные технико-экономические и иные показатели объектов и мероприятий на организацию производства водоемких видов продукции, на потребности и условия использования вод основными водопотребителями с учетом местных особенностей обеспеченности водными ресурсами, перспектив изменения технологии водоемких производств.
Исследование задачи развития водного хозяйства позволяет решить вопросы выбора варианта размещения производства, который должен определить соотношение объемов выпуска каждого вида продукции на действующих, реконструируемых и новых предприятиях; обосновать целесообразность замены выпуска одного вида продукции другим. В качестве ограничений в модель могут вводиться, например, плановые экономические показатели по отраслям и территории в целом, ресурсные ограничения, ограничения природоохранного характера.
Решение задач водной экологии невозможно без рассмотрения экономических и социальных факторов, без анализа водного объекта как части антропогенно-природного сообщества. Потому приведенные выше примеры эколого-экономических моделей также входят в область исследований гидроэкологии.