Годишник на университета по архитектура, строителство и геодезия – софия 2002-2004 annuaire de l’universite d’architecture, de genie civil et de geodesie – sofia



Дата19.02.2017
Размер78.41 Kb.

ГОДИШНИК НА УНИВЕРСИТЕТА ПО АРХИТЕКТУРА, СТРОИТЕЛСТВО И ГЕОДЕЗИЯ – СОФИЯ

2002-2004

ANNUAIRE DE L’UNIVERSITE D’ARCHITECTURE, DE GENIE CIVIL ET DE GEODESIE – SOFIA

МАТЕМАТИЧЕСКИ МОДЕЛ ЗА ОПРЕДЕЛЯНЕ НА ОВОДНИТЕЛНОТО ВОДНО КОЛИЧЕСТВО

В. Захариева*

Ключови думи: речен отток, водостопански изследвания, статистически модели, екология

Научна област или специалност: 02.15.20 Инженерна хидрология, хидравлика и водно стопанство
В резултат на използването на водните ресурси на реките за задоволяване на нуждите на човека, се изменя режимът на оттока им. Нарушава се средата на обитаване на безгръбначни, риби, птици и др. диви животни. За да не деградира необратимо речната екосистема, е необходимо да се остави част от оттока в реката.

обезпечаването на вода за реката е част от планирането на разпределението на водните ресурси. изискванията на водната биота са наравно с другите потребители на вода.

Водното количество, поддържащо средата на обитаване, се нарича оводнително водно количество. Показва каква част от оттока може да се отнеме, без да настъпи неприемливо нарушение на речната екосистема. Целта на управлението, свързана с определянето на оводнителното водно количество, е да се намери режим на речния отток, който поддържа добре функционираща речна среда, в която да се развива формиралото се при естествен режим речно общество.

Съществуващите методи за определяне на оводнителното водно количество се различават по параметрите, които се считат за определящи развитието на речната екосистема. Основна хипотеза, на която се базират повечето от тях, е, че колебанията в речния отток е най-важният абиотичен фактор, определящ качеството на средата на обитаване, което е определящо за развитието на биоценозата.

Като биологичен вид, характеризиращ речната биоценоза, се използват бентосните макробезгръбначни поради следните причини:



  • Макробезгръбначните са част от хранителната верига в реката. Всяко изменение в техния статус ще се отрази на изменението на всички екосистемни структури и процеси;

  • Те са чувствителни към изменението на оттока, качеството на водата в реката, условията на средата на обитаване;

  • Те не са много мобилни, т.е. могат точно да се оценят локалните процеси;

  • Като бентос те отразяват влиянието на водното количество, също така и на наносите;

  • Те са дълго живеещи и могат да се оценят влияния на дълготрайни процеси.

Основни показатели за състоянието на макробезгръбначното съообщество са числеността и разпределението на съставляващите го особи. Те се определят от закономерностите на демографските процеси (раждаемост, смъртност, миграция) и механизмите на въздействие на външните фактори върху тези процеси. Условията на околната среда се определят като изменящи се във времето и пространството абиотични фактори на средата на обитаване, на които организмите реагират различно в зависимост от силата му. Тесният интервал, в който особите се размножават, определя условията, в които е възможно дълго съществуване на вида.

При наличие на данни за числеността в различни точки на пространството и времето, може да се потърси обяснение на колебанията й чрез намиране на корелация с външни фактори.

Натрупана е значителна по обем информация в резултат на дългогодишни наблюдения, извършвани по време на разработване на научно-изследователски проекти [1, 4] и на ОВОС на редица обекти, напр. [2, 3].

На фиг. 1 са показани поречията, за които има данни. Обхванати са реки и от Дунавския и от Беломорския район.





Фиг. 1

Наблюденията са извършвани на пунктове, разположени в горното течение на реките. На мястото на взимане на проби реките са незамърсени. Сапробността им е между ксеносапробия и -мезосапробия. Оттокът е ненарушен, тъй като створовете са разположени над водохващания и населени места. Следователно наличната информация отразява развитието на зообентоса при естествени условия.

На фиг. 2 е илюстрирано изменението на общата численост във времето. Дадени са графики на съвместните ходографи на общата численост и средномесечния отток.



фиг. 2. Черни Осъм над с. Черни Осъм

Изменението на общата численост следва колебанията на речния отток с известно закъснение. Търси се корелация между наблюдаваната обща численост и протичащото водно количество в реката в текущия и предходния месец.

Изменението на водното количество се характеризира с фазовост във вътрешногодишен аспект. Необходимо е търсените зависимости да се определят за всеки месец.

Колебанията на речния отток и общата численост се задават с редица от последователни стойности на средномесечното водно количество. Месечната обща численост на макробезгръбначните и средномесечното водно количество се разглеждат като взаимосвързани дискретни случайни процеси.

Означаваме броя на индивидите за j-тия месец на i-та година с Nij. Последователността N1,1, N1,12, N2,1,…, Nn,12, отразяваща изменението на общата численост във времето, представлява случаен процес. Този процес е дискретен със стъпка във времето 1 месец. Числеността в текущи месец зависи от числеността в предходния месец, от водното количество, протичащо в предходния и текущия месец. Следователно този процес може да се опише като марковски:

p(Nij, tij | Ni,j-1, ti,j-1; Qij, tij; Qi,j-1, ti,j-1),

където Nij е обща численост за j-тия месец на i-та година,

Qij – протичащо водно количество за j-тия месец на i-та година,

р – вероятността числеността в момент tij да е Nij.

Поради вътрешногодишната нестационарност на оттока и развитието на биоценозата, случайните величини Nij имат различни вероятностни разпределения. Преходните вероятности зависят от месеца j.

Корелационната матрица на веригата на Марков за месец j има вида:

Корелационният коефициент e равен на нула, защото числеността на зооценозата в даден месец не зависи от водното количество (физическите условия) в следващите месеци.

На фиг. 3 е дадена зависимостта между общата численост и водното количество за месец август. С различни символи са означени данните от различни поречия. Вижда се, че те принадлежат на една обща зависимост, което позволява съвместното разглеждане на информацията от всички поречия заедно.



фиг. 3.

В табл. 1 са дадени изчислените коефициенти на корелация между обща численост и водно количество за текущия и предходния месец.



Таблица 1

месец

Коефициент на корелация между обща численост в текущия месец и

обща численост в предходния месец

водно количество в текущия месец

водно количество в предходния месец

април

0.102

-0.095

-0.027

май

0.093

-0.154

-0.024

юни

0.374

-0.051

-0.122

юли

0.196

0.16

0.037

август

0.378

0.249

0.180

септември

0.482

0.344

0.347

октомври

0.556

0.007

0.220

ноември

0.592

-0.091

0.030

Въвеждаме следните означения:

Ai,1=Ni,j-1

Ai,2=Qi,j

Ai,3=Qi,j-1

Моделът на месечната численост се представя с марковска верига от вида:

,

където Nij e численост в j-я месец на i-та година, j=4,...,11;



– средна численост в j-я месец;

Qij – водно количество в m-я месец на n-та година, j=4,...,11;



– средно водно количество в j-я месец;

σNj σQj – средноквадратични отклонения, съответно на числеността и водното количество, за j-я месец;

Dj – детерминанта на корелационната матрица Аj на веригата на Марков за j -я месец;

D(NjАk) – алгебрични допълнения на елемента r(NjАk);

Φj – нормирано нормално отклонение на случайната величина.

Създадена е програма по описания модел, с чиято помощ може да се имитира изменението на общата численост при зададен отток. В резултат от изчисленията се получава редица от месечни стойности за изследвания период.

На фиг. 4 са сравнени получените от моделирането стойности (дадени с пунктир) с натурните данни за Черни Осъм над с. Черни Осъм.



фиг. 4. Черни Осъм над с. Черни Осъм

Режимът на оводняване се определя по следната схема.

Първо се моделира развитието на зообентоса при естествен режим на оттока. Необходимо е да се разполага с редица от средномесечни стойности на водното количество за дълъг период от време. Те се получават по следния начин:


  • исторически наблюдавани – когато в близост до изследваното място има хидрометрична станция;

  • получени по река-аналог;

  • моделирани с математически модел.

Получената моделирана редица за общата численост служи като база за сравнение при определяне на режима на оводняване. Използва се критерият на Фишер за оценка на значимостта на изменение на зообентосната ценоза при различни режими на оводняване в сравнение с тази при естествен режим.

След това се моделира развитието на зообентоса при различни режими на оводняване. Избира се вариант, при който речната екосистема се запазва в състояние, съпоставимо с естественото.

Качествената оценка на влиянието на един фактор или група фактори (различен режим на оводняване) върху изходния параметър (моделирана обща численост) се получава с помощта на дисперсния анализ.

Изчислява се дисперсията на моделираната обща численост при естествен режим на оттока и при приет режим на оводняване . Двете дисперсии се сравняват с помощта на F критерия на Фишер. Ако те се отличават незначително една от друга, то влиянието на нарушението на оттока може да се счита за несъществено, тъй като не е довело до значително увеличаване или намаляване на разсейването на моделираната обща численост при нарушен режим спрямо тази при естествен.

От разпределението на Фишер се изчислява критична стойност Fкр при ниво на значимост =0,05 и степени на свобода ne-1 и nн-1, където ne и nн са съответно брой на елементите на моделираната редица при естествен и нарушен режим.

Ако е изпълнено условието



,

то нарушението на оттока е незначително по отношение на развитието на бентосните зооценози и може да се приеме този режим на оводняване.



Литература

  1. Зарбова К. и кол., Оценка на някои екологически изменения при нарушаване режима на речния отток в поречията на Янтра и Осъм, НВИЦ на КОПС, С., 1989.

  2. Каскада “Средна Въча”, ОВОС, СПП при УАСГ, 2001.

  3. Оценка на състоянието на речните екосистеми под деривация "Джерман-Скакавица", НИС при УАСГ, договор К-447/99 с ЕООД "Водоканалинвест", 1999.

  4. Янева И. и кол., Състав и структура на речни бентосни зооценози в зависимост от режима на оттока, Институт по зоология БАН, Договор с НФНИ към МОН, 1997.


MATHEMATICAL MODEL FOR ECOLOGICAL FLOW DETERMINATION

V. Zaharieva

ABSTRACT

The water resources use for human demand satisfaction changes the regime of river runoff. In order to prevent the irreversible degradation of the riverin ecosystem it is necessary some water flow to remain within the stream course. The provision of the necessary ecological discharge is a part of the water resources allocation planning. In this article the flow is considered as a main abiotic factor. A basic biocenosis indicator is the total benthic macroinvertebrates abundance. Both quantities are treated as random discrete monthly values. The total abundance variability in time has been described as Markov process. The model parameters determination is based on long-term monitoring data. A computer program has been developed for modeling the variability of total abundance under undisturbed conditions within the river as well as under different regimes of river runoff disturbance. The variance analysis has been used to compare the obtained series in order to determine the needed ecological flow.





* инж. Весела Евгениева Захариева, кат. Хидравлика и хидрология,

София 1046, бул. Христо Смирненски № 1, тел. 963 52 45 /696/








Поделитесь с Вашими друзьями:


База данных защищена авторским правом ©obuch.info 2019
отнасят до администрацията

    Начална страница