Глава 9. Моделирование водных экосистем. Комплексный подход (стр. 3 )

В Таблице 2 приведены данные для другого случая, при котором продукция фитопланктона лимитируется наличным количеством биогенов.

Таблица 2

Коэффициенты чувствительности ячейки экосистемы при RAD = 20 и INP = 100 мг/мсут

	X0	INP	RAD	H	TEM	DESTR COEF	SED COEF	MORT COEF
PHTY	11.5г/м	+0.33	0	-0.33	+0.61	+0.33	-0.33	-0.50
PHOS	30 мг/ м		0	-0.33	-0.17	+15.9	-0.33	0
DETR	20 г/м	+0.33	0	-0.20	0	-0.20	-0.50	0
SED	1 г/мсут	+0.33	0	-0.60	0	-0.20	0	0
PROD	3 г/мсут	+0.33	0	-0.33	+0.23	+0.33	-0.33	0
MORT	3 г/мсут	+0.33	0	-0.33	+0.23	+0.33	-0.33	0
DEST	2 г/мсут	+0.33	0	-0.20	+0.43	+0.60	-0.50	0

Заметим, что в случае повышения поступления биогена в ячейку стационарное состояние нарушается и происходит накапливание биогена, с которым уже не может справится процесс седиментации.

Материал таблиц 1 и 2 показывает, что даже в искусственных стационарных условиях, которые не встречаются в наших широтах, принятая упрощенная модель ведет себя достаточно сложно и правдоподобно. Разумеется, что в более общей модели, включенной в макет, используется множество моделей ячеек, подобных описанной.

2.3. Модель функционирования предприятия, загрязняющего водную среду

В качестве еще одного примера моделирования водных экосистем рассмотрим модель функционирования предприятия, загрязняющего водную среду и работающего в условиях системы штрафов, зависящих от степени очистки стоков.

Схема работы предприятия, сбрасывающего в воду свои отходы, изображена на рис.1 (см. ниже). В самом упрощенном виде можно себе представить, что предприятие, вырабатывая некоторое количество Q конечной продукции по технологическим причинам на каждую единицу такой продукции производит PT и TT загрязняющих веществ условных типов “биогена” и ”токсиканта”. На деле, естественно, спектр отходов гораздо шире, но в первом приближении мы ограничиваемся только двумя компонентами.

Рис. 1. Объянение в тексте.

Итак, предприятие производит в единицу времени, за которую удобно принять один год, следующие количества загрязняющих веществ:

Q*PT для биогена и

Q*TT для токсиканта.

Эти количества могут или прямо сбрасываться в воду или подвергаться очистке. В последнем случае в сбросе участвует только некоторая доля вырабатываемых отходов.

QOUT = Q*PT*(1-PO)

TOUT=Q*TT*(1-TO),

где PO и TO - степени очистки каждого из рассматриваемых загрязняющих веществ. При PO = 1 и TO = 1 имеет место “нуль-замкнутый” технологический цикл, и в воду вообще ничто не выбрасывается, а при PO = 0 и TO = 0 в воду сбрасываются неочищенные отходы.

Согласно Закону России об охране природы, за всякий сброс в воду загрязняющих веществ надо платить в экологический фонд по SP и ST за каждую единицу измерения сброшенного загрязнителя, если объем сброса не превышает установленных лимитов (PL и TL), и SP*SPI и ST*STI, если сброс превышает эти лимиты. Кратности платежей SPI и STI, как и лимиты сбросов, устанавливаются государственными природоохранительными органами. В нашей программе процедуры оплаты за сброс каждого загрязняющего вещества оформлены в виде функций:

SPS(PL, POUT, SP, SPI)

STS(TL, TOUT, ST, STI)

С другой стороны, всякая очистка требует дополнительных затрат на постройку и эксплуатацию очистных сооружений, на захоронение или утилизацию выделеннных отходов. Затраты на очистку могут резко различаться в зависимости от объема производства и степени очистки. Кроме того, очистка почти всегда бывает комплексной, а не направленной на выделение из отходов только одного какого-то компонента. Можно обосновать, что в простейшем случае стоимость очистки от единицы загрязнителя возрастает пропорционально квадрату степени очистки. За предельное значение затрат на очистку принимаются затраты, необходимые для внедрения замкнутого технологического цикла. В программе затраты на очистку представлены в виде функций:

SPO(PO, CLEANP)

STO(TO, CLEANT)

где: CLEANP - предельные траты на очистку сбросов от биогена и CLEANT -предельные траты на очистку сбросов от токсиканта.

Таким образом, выплаты предприятия за сброс в воду загрязняющих веществ составляют:

S1 = SPS(PL, POUT, SP, SPI) + STS(TL, TOUT, ST, STI),

а траты на очистку:

S2 = Q*(PT*PO*SPO(PO, CLEANP) + TT *TO*STO(TO, CLEANT)

Будем считать, что каждое предприятие выберет такие степени очистки PO и TO, которые обеспечили бы минимальные расходы на оплату сбросов и очистку:

S1 +S2 => min

Поиск минимума осуществляется методом перебора с дискретностью величин PO и TO в 0.1. Все рассмотренные выше процедуры оформлены в виде подрограммы:

PLANT(Q, ZQ, PT, TT, CLEANT, CLEANP, PL, TL, SP, ST, SPI, STI, POUT, TOUT, PLRC), где PLRC - доля затрат на очистку отходов в общей стоимости продукции, выпускаемой предприятием.

Проиллюстрируем действие процедуры PLANT на конкретном численном примере. Примем следующие значения параметров:

ZQ= 10; PT=0.2; TT=0.01; CLEANP=10; CLEANT=100.

В таблице 3 приведены данные изменения выбросов, оптимальных степеней очистки, трат на очистку и отчислений в экологический фонд в зависимости от установленных выплат за сброс (SP и ST). При расчетах принято, что Q = 300 ; PL =20; TL = 1; SPI=3; STI =3; PLRC =S2/(Q*ZQ), где ZQ - стоимость единицы выпускаемой продукции.

Нетрудно видеть, что при отсутствии плат за сброс предприятию выгодно сливать неочищенную воду, а при очень высоких платах переходить на замкнутый цикл водоснабжения. При низких платах за сброс предприятию бывает выгоднее платить за сброс в увеличенном размере, чем строить очистные сооружения. Только при некоторых пороговых значениях (SP=1 и ST=60 в нашем примере) предприятию становится выгодно выполнять лимитные предписания по сбросам загрязняющих веществ.

Таблица 3

Зависимость сбросов, степени очистки, затрат на очистку (S2) и выплат в экологический фонд (S1) от выплат за сброс (SP и ST).

SP ST	0 0	1 1	5 5	10 10	15 15	20 20	10 30	10 40	10 50	10 60	100 600
POUT	60	42	24	18	12	18	18	18	18	18	0
TOUT	3	2.7	2.4	2.1	1.8	1.8	1.5	1.2	1.2	.9	0
PLRC	0	.03	.11	.14	.18	.21	.16	.17	.17	.18	.30
PO	0	.3	.6	.7	.7	.8	.7	.7	.7	.7	1
TO	0	.1	.2	.3	.4	.4	.5	.6	.6	.7	1
S1	0	92	186	223	321	308	256	244	260	234	0
S2	0	16	132	213	225	326	243	271	271	308	900

3. Моделирование экосистемы Невской губы

3.1. Имитационная модель водной экосистемы Невской губы

В предыдущем разделе мы рассмотрели методологию подхода к моделированию водных экосистем, а также привели некоторые примеры имитаций. Базируясь на них, нами была разработана имитационная модель экологической системы Невской губы. За основу были приняты исследования, проведенные Зоологическим институтом АН СССР [56]. Схема средних течений и их вариаций принята по работе и [57]. Акватория Невской губы в модели была разделена на 30 ячеек, как это принято в работах ЗИН АН РАН. Состояние каждой ячейки определялось концентрацией неорганической взвеси (М) в г/куб. м. и концентрацией фитопланктона (РH) в г/куб. м.

За каждый временной шаг, длительность которого полагалась равной 6 часам, в модели происходили следующие процессы:

Перенос при помощи течений взвешенных частиц из одной ячейки в другую.

Диффузный обмен между ячейками.

Седиментация органического и неорганического вещества.

Бактериальное разложение взвешенного органического вещества.

Образование первичной продукции фитопланктона.

Отмирание фитопланктона.

Поступление (взмучивание) неорганической взвеси со дна.

Выброс органической взвеси как из р. Невы, так и из коллекторов очистных сооружений.