Предисловие

Конспект лекций по информатике и методические указания к Практикуму по применению ЭВМ в гидрологии составлены в соответствии с учебными программами по курсам «Применение информатики в гидрологии» и «Применение ЭВМ в гидрологии», утвержденной ученым советом факультета географии и геоэкологии Санкт-Петербургского университета Федерального агентства по образованию Российской Федерации для специальности географ-гидролог.

Конспект лекций и учебно-методическое пособие предназначено для студентов, обучающихся по специальности «Гидрология суши» на факультете географии и геоэкологии Санкт-Петербургского государственного университета.

Учебный курс предполагает хорошее знание методологии и источников получения натурных данных в гидрологии, и в свою очередь, является основой, на которой базируются специальные гидрологические дисциплины.

Материал излагается параллельно с изучением студентами таких специальных дисциплин, как «Практикум по гидрометрии», « Методы и средства гидрометрических измерений», «Гидромеханика», «Гидравлика», «Гидрохимия» и др. В связи с этим излагаемые примеры и ссылки на натурные материалы, а также практические задания в пособии увязываются с указанными дисциплинами.

Практические работы разъясняют и дополняют технологию постановки задач в области гидрологии и экологии водных объектов. В конце пособия приведены примеры постановки и решения такие 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.

Ниже рассмотрены некоторые основные понятия информатики и моделирования в гидрологии и экологии.

Введение. Предмет и задачи учебных дисциплин

Информатика как наука расширяет свою предметную область и из технической дисциплины о методах и средствах обработки данных при помощи средств вычислительной техники превращается в фундаментальную естественную науку об информации и информационных процессах в природе и обществе. Информатика — это фундаментальная естественная наука, изучающая процессы передачи и обработки информации.

Академик Б. Н. Наумов определял информатику "как естественную науку, изучающую общие свойства информации, процессы, методы и средства ее обработки (сбор, хранение, преобразование, перемещение, выдача)".

Информатику следует относить к естественнонаучным дисциплинам в соответствии с представлением о единстве законов обработки информации в искусственных, биологических и общественных системах. Отнесение информатики к фундаментальным наукам отражает общенаучный характер понятия информации и процессов ее обработки. В предмет информатики включается изучение отношений между источником и получателем информации.

Но информатика имеет черты технических и общественных наук, поэтому она является комплексной, междисциплинарной отраслью научного знания. Именно развитие информатики позволило перейти от простого наблюдения и естественнонаучного эксперимента к математическому моделированию различных процессов в природной среде. Особенно интенсивное развитие прикладного моделирования в гидрологии и природопользовании началось с появлением теории турбулентной диффузии и его частного приложения к задачам «мелкой воды».

Водная экология (гидроэкология) - одно из наиболее востребованных в настоящее время направлений гидрологической науки. Для решения ее задач широко используются современные методы исследований, информационные технологии, в том числе математическое моделирование. В пособие уделено отдельное внимание моделированию в гидроэкологии, рассмотрено экосистемное моделирование, модели качества воды, а также дано краткое описание эколого-экономических оптимизационных моделей.

Математические модели качества воды можно разделить на две большие дополняющие друг друга группы: имитационные модели, которые создаются для чисто практических целей и представляют собой реализацию на ЭВМ алгоритмов аппроксимирующих динамику процессов в конкретных системах и модели общетеоретического значения.

Основными задачами учебного курса являются:

• Ознакомление с терминологической основой информатики.

• Освоение системного подхода к изучению природных процессов в гидро- и экосистемах.

• Понимание принципов математического моделирования качества воды водных объектов.

• Изучение теоретических основ методов решения типовых задач конвективно-диффузионного переноса и переноса веществ.

• Знакомство с примерами постановки задачи формирования качества воды (различные модели распространения загрязнений в водных объектах).

• Умение составления сопровождающих программы документов (на основе существующих нормативов).

• Наработка практического опыта по решению типичных задач гидрологии (расчета гидрологического режима водных объектов) с помощью ЭВМ.

В приложении представлены программы учебных дисциплин «Применение методов информатики в гидрологии» и «Применение ЭВМ в гидрологии», а также соответствующие экзаменационные вопросы.

Исследование и изучение методов информатики и моделирования на ЭВМ необходимо для выполнения гидрологических и водохозяйственных расчетов при проектировании, строительстве и эксплуатации гидротехнических сооружений, а также для научных выводов и обобщений в гидрологии.

Устройство ЭВМ и элементы программирования на алгоритмических языках рассматриваются в отдельном учебном курсе «Информатика». Разработка методов и подходов для изучения элементов режима водных объектов рассматриваются в отдельном учебном курсе «Гидравлика». Организация и производство специальных водных исследований в связи с водохозяйственным проектированием изучаются в курсе «Гидрология суши» для бакалавриата. Практические расчеты для организации гидрологических станций и постов, организация наблюдений и соответствующие требования к обработке и анализу натурных данных рассматриваются в учебных курсах «Методы гидрологических измерений» и «Практикум по гидрометрии». Все перечисленные курсы подразумевают использование элементов информатики и ориентированы на различные прикладные пакеты обработки и моделирования с помощью ЭВМ. Поэтому студенты должны освоить общие принципы использования интерфейсов и программирования на ЭВМ. Однако ключевым моментом в их подготовке является освоение принципов постановки задач гидрологического типа для решения ихс помощью ЭВМ.

В предлагаемом конспекте лекций изложен обще теоретические вопросы, а 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.