Модель круговорота азота в куйбышевском водохранилище

  • 31 мая 2013 г.
  • 2343 Слова
Введение
В результате усиленного антропогенного воздействия на водоемы формирование качества воды в настоящее время является одной из важнейших проблем народного хозяйства. Возникающие в связи с этим задачи описания процессов формирования качества воды и попытки составления краткосрочных и долгосрочных прогнозов качества требуют применения математического аппарата, а именно -математического моделирования.

Круговорот биогенных элементов представляет собой ключевой механизм формирования качества воды. В числе биогенных элементов азот занимает главенствующее положение, и зачастую от количества и характера его соединений зависит общая продуктивность водоема. Отсюда вытекает насущная потребность в изучении круговорота азота с помощью математических методов.
Сложность процессов круговоротаприводит по необходимости к созданию сложных многокомпонентных имитационных моделей. Недостоверность обычных моделей заключается в неопределенности параметров, так как в пределах точности параметров и без изменения структуры модели возможно получение качественно разных типов движения. Из сказанного выше сразу вытекают две "большие" задачи моделирования:

1) задача верификации, т.е.максимальное уменьшение "числа степеней свободы" путем наложения связей на параметры, обеспечивающие некоторые априорные свойства модели.
2) задача идентификации, т.е. численное определение оставшихся "свободных" параметров.
Для моделей круговорота азота разработана одна из методик верификации – методика связности, существенно уменьшающая неопределенность параметров с помощью выявления связей, наложенных напараметры, из условий сохранения устойчивости нетривиальных особых точек последовательно для нескольких структур круговорота.
Суть этой процедуры состоит в следующем. На начальном этапе составляется система небольшого количества (два–три) уравнения, в которых априори заключена особенность имитируемого процесса и которые легко поддаются теоретическому анализу, в частности, удовлетворяют условиям положительностистационарной точки и устойчивости. Однако эта исходная модель не является достаточно конструктивной, и задача состоит в ее расширении с последовательным введением необходимых фазовых координат при сохранении свойств динамики процесса, заключенных в исходную систему.
Верификацией модели нельзя найти однозначно все параметры – некоторые из них всегда будут свободными. Поэтому последние необходимоидентифицировать (назначить численные значения) по реальным данным. В данной работе параметры модели идентифицированы по гидрохимическим и гидробиологическим характеристикам Куйбышевского водохранилища. Они выбирались так, чтобы при их варьировании в достаточно широкой области сохранялись устойчивость и качественная картина.
Реальным объектом моделирования является Куйбышевское водохранилище. Методикасвязности применяется для моделей с постоянными коэффициентами (среднегодовой ход), однако демонстрируется переход и к моделям с переменными параметрами (температура воды, освещенность, поступления органического и неорганического азота в водоем), которые отражают сезонную динамику.
В дальнейшем, если это не будет оговорено, то средняя температура воды (T) водохранилища принимается равной 14 ˚С.Все расчеты ведутся в азотных единицах (тонны азота).
Круговорот азота. Теоретические сведения.
Круговорот азота представляет собой ряд замкнутых взаимосвязанных путей, по которым азот циркулирует в земной биосфере. Рассмотрим сначала процесс разложения органических веществ в почве. Различные микроорганизмы извлекают азот из разлагающихся материалов и переводят его в молекулы, необходимыеим для обмена веществ. При этом оставшийся азот высвобождается в виде аммиака (NH3) или ионов аммония (NH4+). Затем другие микроорганизмы связывают этот азот, переводя его обычно в форму нитратов (NO3–). Поступая в растения (и в конечном счете попадая в организмы живых существ), этот азот участвует в образовании биологических молекул. После гибели организма...
tracking img