2.1. Основные положения

Речной бассейн состоит из сложной системы водотоков, в которой каждый водоток оригинально и динамично изменяется во времени [6], перемещается в пространстве в пределах поймы реки [19], и вода его качественно изменяется по пути движения [7]. В любом месте реки в каждый момент времени вода сменяется полностью. Нестабильность в пространстве, динамичность системы водотоков и струйные процессы усложняют моделирование временн\`ого изменения свойств воды при перемещении её в речной системе.

Модели массотоков разработаны нами в 1971---1979 гг. и впервые воплощены во второй задаче автоматизированной системы контроля водоохранных мероприятий (АСКВод «Енисей»). О ней сказано во введении. Второй вариант был написан в 1994 г. на языке KLIPPER 5.01  для исполнения на компьютере (программный комплекс «ГХМодель», сертификат соответствия № POCC RU.ME20.H00084 1997 г.). С его помощью были созданы модели около 70 рек Енисейского бассейна c целью расчёта норм  ПДС на 30 и более веществ для каждого объекта. Переносимая программа модели р. Качи передана Енисейскому бассейновому водному управлению в 2007~г.

Принципиальная схема модели дана на рис. 2.1. Она была опубликована в [11]. В модели применяем расходы масс вещества (массотоки) и  используем возможности, которые предоставляет струйная теория объединения водотоков в реке [12]. Основные особенности схемы:

--- не выполняем работы «Оценка состояния водного объекта» и «Оценка естественного фона». Они имеют специфичное назначение и должны быть выполнены, а результаты их утверждены до начала работ по моделированию. Предусмотрено, что они осуществлены при раскрытии тем «Разработка нормы естественного фона» и «Разработка бассейновых норм ПДКб», которые выделены в блоки, вынесенные за пределы схемы;

- создаём модель расходов воды в виде водохозяйственного баланса;

-  формируем базы данных по концентрациям веществ в речных водотоках и сточных водах на основе выбора по результатам оценки  информативности данных;

Рис. 2.1. Принципиальная схема бассейновой модели р. Качи. Серым фоном выделены работы, не входящие в программу, но связанные с ней функционально
 
- рассчитываем на основе  материальных балансов массотоков по три значения концентраций вещества в речной воде  «выше выпуска сточных вод», «в контрольном створе» и «при предполагаемом полном завершении объединения водотоков»;

-  разрабатываем норматив ПДМ при наличии или при отсутствии ресурса. В последнем случае, в соответствии со вторым законом потоков веществ в струе, норму ПДМ принимаем равной качеству речных вод на уровне естественного фона;

- устанавливаем временную норму равной заявленному сбросу сточных вод, чтобы разрешить предприятию существовать, но разрабатываем  на следующий этап временно разрешаемый массоток (ВРМ) и целевой показатель качества (ЦПК). Этим авансируем требования, которые будут задействованы для владельца сточных вод по истечении назначенного срока действия временной нормы;

- не разрабатываем мероприятия для достижения очередного уровня ВРМ или ПДМ. Это --- обязанность водопользователя.
 
2.1.1. Общая схема программы модели реки
 
 Согласно основному закону массотоков их объединение происходит пропорционально долям участия расходов воды струй, содержащих объединяемые массотоки. Следовательно, требуется создавать две модели: объединения струй воды (гидролого-гидравлическую) и объединения массотоков (гидрохимическую). Для облегчения изложения рассматриваем стационарный вариант программы, выполненный в таблицах на листе EXCEL. 

Довольно сложно создавать модель речного стока (гидролого-гидравлическую часть), так как для большинства водотоков (притоков, ручьёв и других)  расходы воды определяются по картам  речного стока с вероятной погрешностью более 40 % и нет макрометрических данных о водотоке. С целью выравнивания речного стока с данными по базовому створу, на котором ведутся многолетние наблюдения, разрабатываем водохозяйственный баланс (гидрологическая подчасть). Расход воды в реке выбираем из трёх маршрутов по отчёту Экспедиции 2003. Макрометрическую информацию о реке, притоках её и струях сточных вод вырабатываем в гидравлической подчасти.  Для учёта струйных процессов рассчитываем доли остатков струй.

 В базе данных создаём четыре массива данных о концентрациях (или потоках) масс веществ. В первом массиве содержатся концентрации каждого вещества в воде устья  каждого притока.  Во второй массив включены концентрации  каждого вещества в воде боковой приточности. Третий массив содержит либо потоки масс веществ в сточных водах, либо их концентрации. Правила выбора концентраций для их расчёта изложены на с. 30. Четвёртый массив представлен концентрациями естественного фона в истоке реки и в каждом притоке.

Для создания гидрохимической (материальной) части модели используем все статьи водохозяйственного баланса и привлекаем информацию о качестве воды в истоке, притоках и в сточных водах. Водохозяйственный баланс преобразуется в баланс массотоков веществ. Для этого каждый расход воды умножается на соответствующую концентрацию вещества, выбираемую из базы данных.

Рассчитываем плотности массотоков в струях на основе данных, выбираемых из материального баланса, и соответствующих расходов воды с коэффициентами остатков, выбираемых  из водохозяйственного баланса.  Расчёт ведём последовательно от истока к устью по каждой строке потокового баланса для трёх створов. Затем графически интерпретируем результаты моделирования, что обеспечивает обзор по всему водотоку.

Модель подобна мгновенной фотографии сложного составного объекта, каждая часть которого перемещается по своей траектории, оригинально изменяя собственные характеристики. Таблицы и графики математической модели представляют статический образ момента существования речной системы.