Вычислительные методы и математические модели в задачах иерархического контроля качества поверхностных вод - Автореферат

Целью диссертационного исследования явилась разработка комплексной методики исследования систем контроля качества поверхностных вод, включающей в себя вычислительные методы, математические модели, алгоритмы нахождения решений, их программную реализацию, и создание на ее основе информационно-вычислительного обеспечения (аналитического блока) СПР в задачах контроля и прогноза качества поверхностных вод. Для достижения сформулированных целей диссертационной работы предполагается решение следующих задач: Создание вычислительной методики исследования систем контроля качества поверхностных вод, которая включает в себя построение математической модели, определение применяемого в ней механизма управления, разработку алгоритма нахождения решения, реализующего его метода и программную реализацию последнего. Для задачи контроля качества поверхностных вод разработку набора многоуровневых математических моделей различной структуры и методов их исследования, предполагающих выбор механизма управления и указание алгоритма построения решения. На основе созданных математических моделей, вычислительных методов и схем разработку и программную реализацию модульной системы алгоритмов, составляющих информационно-вычислительное обеспечение компьютерных систем поддержки решений по контролю качества поверхностных вод. Практическая проверка адекватности разработанных моделей и методов осуществлялась путем их программной реализации, проведения имитационных экспериментов на модельных и реальных объектах сети экологического мониторинга Ростовской области, сравнения полученных с их помощью результатов с данными системы поддержки принятия решений управления водными ресурсами Санкт-Петербурга и Ленинградской области, апробации в Донском бассейновом водном управлении Федерального агентства водных ресурсов.В первой главе приводятся математические модели и вычислительные схемы для систем контроля качества поверхностных вод двухуровневой структуры при использовании различных подходов к их организации (интегрированного, нормативного подходов и подхода сбалансированного развития); указаны алгоритмы нахождения решений. Обеспечить поддержание УДС в заданном состоянии центр может не единственным способом, поэтому, кроме этого, он стремится к максимизации целевой функции вида: Здесь t - временная координата; Tmi (Fim(Tmi)) - размер (функция) платы за единицу сброшенных углерод-и азотсодержащих (m=c и m=n соответственно) ЗВ на i-м предприятии в момент времени t; Wmi ((1-Pmi)Wmi) - количество ЗВ, сбрасываемых в реку i-м предприятием до (после) очистки сточной воды в единицу времени (m=n,c); Pmi(t) - доля углерод-и азотсодержащих (m=c и m=n соответственно) ЗВ, удаляемых на i-м предприятии в процессе очистки сточных вод; СА(y(t)) - функция, в которой отражены материальные потери общества изза загрязненной воды (затраты на устройство новых мест отдыха в других регионах, дополнительные расходы по очистке речной воды для потребительских нужд населения и т.п.); y(t) - общее количество сброшенных в реку загрязнений; D - момент времени, до которого ведется рассмотрение. A - площадь поперечного сечения реки; Q - расход воды в реке; V = (vx , vy, vz) - скорость руслового потока; KNBN, KCBC - изменение во времени углеродного, азотного биохимического потребления кислорода изза распада; Kc, Kn - коэффициенты убыли кислорода, вызванной его потреблением изза распада; ko[ Bosat - Bo ] - добавка растворенного кислорода вследствие реаэрации; Bosat - концентрация насыщения кислорода; F0 - добавка вследствие фотосинтеза; F1 - потребление растворенного кислорода на дыхание; F2 - придонное потребление растворенного кислорода. Во второй главе диссертационной работы приводятся математические модели и вычислительные методы, схемы исследования задачи, сформулированной в первой главе, при использовании различных методов иерархического управления, а именно методов принуждения, побуждения, убеждения, принуждения-побуждения, побуждения-принуждения. В пункте 3.1 сформулированы различные механизмы управления, используемые в трехуровневых системах веерной структуры; указаны алгоритмы построения решений (на блок-схеме 2 приведен алгоритм нахождения решения при принуждении); проведен сравнительный анализ полученных результатов в случае двух-и трехуровневых систем.