WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 7 |

При моделировании самовосстановительных процессов предлагается считать принципиально значимыми как их взаимосвязь с деструктивными техногенными процессами на территории, так и влияние основных природно-климатических факторов – солнечной радиации и природно-генетического потенциала почвенных комплексов. На рис. 1 показаны принципиально важные элементы моделируемой области. Круговые стрелки отражают хронологическую связь между процессами разрушения и самовосстановления и вызываемую ими смену состояний природных комплексов. Прямые стрелки соответствуют информационным потокам, обусловливающим параметры процессов самовосстановления, в первую очередь темпы их протекания.

Рис. 1. Структура предметной области при моделировании процессов

самовосстановления

Скорость протекания процессов возвращения природных комплексов в начальное равновесное состояние, обусловливающая в конечном счете величину самовосстановительного потенциала, непосредственно зависит от состояния природных комплексов в начале процессов самовосстановления и от их конечного, гомеостазисного состояния. Показатели природно-генетического потенциала почвы и обобщенные показатели динамики солнечной энергии определяют гомеостазисное состояние природных комплексов и тем самым также влияют на темпы протекания моделируемых процессов самовосстановления. Динамика солнечной энергии, кроме того, является значимым фактором для моделирования годового прироста живой массы растительных комплексов (фитомассы) в течение вегетативного периода. На рис. 2 дано концептуальное описание геомодели самовосстановительных процессов горнопромышленных территорий, выполненное в соответствии со структурой предметной области.

Рис. 2. Концептуальное описание геомодели самовосстановительных процессов

горнопромышленных территорий

Во второй главе построена и детализирована геомодель самовосстановительных процессов, дано формализованное описание ее структурных элементов, приведены методы количественной оценки основных параметров модели.

Структура геомодели самовосстановительных процессов показана на рис. 3. Фактографической основой модели является региональный банк пространственно-координированных данных. Экзогенные параметры модели определяют территорию моделирования и моделируемые периоды. Конечным результатом моделирования являются количественные характеристики самовосстановительных процессов.

Рис. 3. Структура геомодели самовосстановительных процессов

природных комплексов

Наблюдаемая годовая динамика солнечной радиации подвержена заметным вариациям, которые обусловливаются плохо прогнозируемой ежегодной изменчивостью состояния атмосферы. Практическая невозможность получения достоверных прогнозов реального состояния атмосферы на периоды, сопоставимые со временем самовосстановления природных комплексов (десятки или первые сотни лет), приводит к необходимости моделирования динамики солнечной радиации с привлечением наиболее типичных для рассматриваемого участка территории параметров состояния атмосферы. Наиболее целесообразным для этого является использование многолетних климатических данных как максимально достоверной и статистически надежной информации. Структура модели динамики солнечной радиации показана на рис. 4.

Рис. 4. Структура модели динамики солнечной радиации

Количественное описание самовосстановительных процессов основывается на модели динамики параметров состояния природных комплексов. На основе модели динамики параметров состояния определяются прогнозируемые периоды самовосстановления природных комплексов до уровней, задаваемых интервальными значениями (рис. 5).

Рис. 5. Структура модели динамики состояния природных комплексов

Интервальные значения параметров состояния фиксируют характерные состояния, достигаемые природными комплексами в процессе их самовосстановления. При задании интервальных значений необходимо учитывать, что по мере приближения параметров состояния к своим гомеостазисным значениям темпы самовосстановительного процесса замедляются (поскольку при достижении динамического равновесия параметров процесс самовосстановления прекращается) и, соответственно, моделируемые годовые изменения параметров уменьшаются. Таким образом, представляется нецелесообразным назначение интервальных значений равным средним гомеостазисным значениям параметров состояния, так как это приводит к завышению прогнозных сроков самовосстановления. Более оправданным является установление интервальных значений не более, чем нижняя возможная граница параметров в состоянии динамического равновесия природных комплексов.

Таким образом, обоснована (рис. 1, 2), построена (рис. 3) и детализирована (рис. 4, 5) геомодель самовосстановительных процессов природных комплексов горнопромышленных территорий, учитывающая природно-климатические особенности Крайнего Северо-Востока России и позволяющая прогнозировать экологические результаты горнопромышленной деятельности (шестое научное положение).

Моделирование движения Солнца по эклиптике (1) осуществляется в первой экваториальной системе координат; координатами места светила в этой системе служат склонение и часовой угол t. В качестве единственного независимого аргумента используется T – количество секунд с начала моделируемого года.

, ( 1 )

где mod – остаток от деления T на 86 400;

= 23°27 – угол наклона земной оси к плоскости орбиты;

Tгод – продолжительность тропического года, с;

;

.

Последующий переход к горизонтальной системе координат (астрономический азимут Az и высота светила над горизонтом h) осуществляется по формулам сферической тригонометрии.

При моделировании траекторий импульсов солнечной энергии (2) для известных координат точки падения солнечного луча на земную поверхность определяются координаты характерных точек траектории. В результате траектория представляется в виде совокупности отрезков, каждый из которых характеризуется длиной и координатами своей центральной точки; в дальнейшем параметры состояния атмосферы определяются для центральных точек и по длине отрезков считаются постоянными:

, ( 2 )

где Bi и Li – широта и долгота характерной точки траектории импульса солнечной энергии, град.;

zi – высота характерной точки, м;

R – средний радиус Земли, м;

, град.;

Az – астрономический азимут солнца, град.;

h – высота солнца над горизонтом, град.;

, град.;

, град.;

B0, L0 и z0 – координаты точки соприкосновения траектории солнечного импульса с земной поверхностью (B0 и L0 – град., z0 – м);

li – расстояние от точки падения траектории на землю до характерной точки, м.

Геомоделирование климатических параметров выполняется на основе многолетних климатических данных. Основными климатическими параметрами являются: атмосферное давление p, Па; абсолютная температура воздуха T, ; среднее значение относительной влажности воздуха, %; среднее квадратическое отклонение относительной влажности воздуха, %; количество нижней и верхней облачности и, баллов; интенсивность тумана, выраженная в условных единицах. Для определения значений параметров в произвольные моменты времени с помощью кубических сплайнов осуществляется аппроксимация среднемесячных результатов многолетних наблюдений и по единой системе аппроксимирующих полиномов осуществляется определение среднедневных значений параметров.

При построении модели состояния атмосферы в качестве статического приближения, которое хорошо выполняется при анализе среднего состояния атмосферы, привлекается модель стандартной атмосферы, на основе уравнений статики и состояния идеального газа связывающая в единую функциональную зависимость давление, температуру и плотность. При моделировании изменения основных параметров атмосферы с высотой принимаются следующие допущения, основанные на модели стандартной атмосферы (но не полностью данной модели тождественные):

  • до высоты 11 км (тропосфера) атмосфера принимается политропной, с постоянным вертикальным градиентом температуры, свыше 11 км (стратосфера) атмосфера принимается изотермической, с постоянной температурой ;
  • для вертикальных профилей давления и температуры верхняя граница моделируемой атмосферы, где и ( и 0 – соответственно атмосферное давление и плотность воздуха на земной поверхности);
  • наличие в атмосфере водяного пара учитывается только в пределах тропосферы.

С учетом принятых допущений модели вертикальных профилей атмосферного давления p(z), температуры T(z) и среднего значения относительной влажности воздуха имеют вид (3):

, ( 3 )

где z – абсолютная высота рассматриваемой точки, м;

z0 – абсолютная отметка поверхности земли, м;

T0, p0 и – температура воздуха (°K), атмосферное давление (Па) и средняя влажность (%) на поверхности земли;

– виртуальная температура, учитывающая наличие в воздухе водяного пара с парциальным давлением e0, °K;

– вертикальный градиент температуры, град/м;

g – ускорение свободного падения;

R – удельная газовая постоянная сухого воздуха;

E(T) – зависящая от температуры упругость насыщения.

Модель пропускания атмосферы учитывает рассеяние и поглощение солнечной радиации атмосферой Земли. Для учета поглощения солнечной радиации озоном, кислородом и водяным паром осуществлялась аппроксимация функции поглощения кубическими сплайнами по отдельным участкам спектра. Оптическая толщина атмосферы за счет ослабления потока солнечной радиации при молекулярном () и аэрозольном () рассеянии (4):

, ( 4 )

где – длина волны, м;

0 = м;

ср() – оптическая толщина осредненной атмосферы;

– оптическая толщина атмосферы при = 0 для i-го диапазона значений влажности воздуха;

– увеличение оптической толщины атмосферы за счет наличия тумана;

l – расстояние до точки соприкосновения траектории солнечного импульса с поверхностью земли, м;

lmax – длина траектории солнечного импульса в атмосфере, м;

p, T – атмосферное давление (Па) и температура воздуха (°K);

fi – вероятность попадания влажности воздуха в i-й диапазон моделируемых значений;

fт – вероятность образования тумана;

kв, kн – коэффициенты поглощения для верхней и нижней облачности;

nв, nн – интенсивность верхней и нижней облачности, баллов.

При моделировании приходящей солнечной энергии осуществляется определение средней удельной энергии E, приходящей за 1 с на 1 м2 земной поверхности, по отдельным спектральным диапазонам (5). Моделирование значений E производится для каждой опорной точки и для всех интервалов времени в течение моделируемого года, когда высота солнца h > 0:

, ( 5 )

где – усредненная по диапазону спектральная плотность потока солнечной радиации, Вт/(м2·м);

p(ср) – усредненное по диапазону значение функции пропускания;

– длина спектрального диапазона, м.

Модель средней годовой динамики солнечной энергии позволяет получить ряд суммарных значений приходящей солнечной энергии по каждым суткам моделируемого года – 365 значений для каждой опорной точки. Суммирование в пределах каждых суток осуществляется по всем интервалам времени, для которых h > 0, и по всем моделируемым спектральным диапазонам.

Система показателей средней годовой динамики солнечной энергии состоит из условной продолжительности вегетационного периода TВП, удельной энергоемкости положительных температур и удельной энергетической обеспеченности наиболее эффективного периода вегетации E+5, определяемых на основе моделируемых суточных значений приходящей солнечной энергии E и температуры воздуха t (6):

где E – суточное поступление солнечной энергии на территорию, МДж;

t – минимальная суточная температура воздуха, °С.

При определении TВП и суммирование в (6) ведется по всем дням года, когда минимальная за сутки температура. Показатель E+5 основан на средних суточных температурах tср, и суммирование в числителе производится при, а в знаменателе – при.

Система параметров, характеризующих состояние природных комплексов на территории, основана на показателях природно-генетического потенциала почв и включает в себя удельные, в расчете на единицу площади, количества фитомассы Ф, органического вещества О и прироста фитомассы в течение вегетативного периода П. Моделирование начальных значений параметров состояния основано на анализе видов и объемов горных работ на территории, включая и мероприятия по рекультивации; в результате определяется степень понижения количеств фитомассы и органического вещества. При выполнении районирования территории по показателям самовосстановительного потенциала начальные значения параметров состояния назначаются в процентах от гомеостазисных значений, что подразумевает одинаковую по всей рассматриваемой территории начальную степень повреждения природных комплексов.

Моделирование гомеостазисных значений параметров состояния осуществляется с использованием регионального банка геоинформации, содержащего карту почвенных комплексов и сведения об эталонных участках территории (значения параметров состояния природных комплексов при достижении динамического равновесия). Моделирование производится на основе аппроксимации зависимости гомеостазисных значений от показателей средней годовой динамики солнечной энергии; для всех трех параметров состояния аппроксимирующий полином имеет вид (7) и различается значениями коэффициентов:

( 7 )

где P0 – гомеостазисное значение параметра состояния (Ф0, О0 или П0), ц/га;

k1–k10 – коэффициенты, определяемые методом наименьших квадратов по данным ближайших эталонных участков с однотипными почвами.

Моделирование изменений значений параметров состояния выполняется с учетом их взаимного влияния, обусловленного основными процессами трансформации Ф и О (8). Граничными условиями модели являются, и, отражающие прекращение самовосстановительных процессов при достижении параметрами состояния природных комплексов своих гомеостазисных значений.

, ( 8 )

где Ф, О – удельные количества фитомассы и органического вещества, ц/га;

П – прирост фитомассы в течение вегетативного периода, ц/га;

Ф, О – годовые изменения в количествах фитомассы и органического вещества, ц/га.

Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 7 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»