Прогноз и нормирование техногенного загрязнения водотоков на основе схемотехнического моделирования

• Автор: Горбунов, Николай Евгеньевич
• Шифр специальности: 25.00.36
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2004
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 185 с. : ил.

«У ВВЕДЕНИЕ

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР РАБОТ ПО МЕТОДАМ И СРЕДСТВАМ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ КАЧЕСТВА ВОДЫ ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ И НОРМИРОВАНИЯ ТЕХНОГЕННОЙ НАГРУЗКИ

1.1. Оценка основных факторов, определяющих формирование качества

воды

1.2. Нормирование качества воды водных объектов на основе оценки

ПДВВ
1.3. Математическое описание процессов формирования качества воды; начальные и граничные условия

1.4. Параметры математических моделей формирования качества воды

1.5. Имитационное моделирование задач формирования качества воды при различных видах техногенной нагрузки
2. ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ И РЕШЕНИЯ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ УРАВНЕНИЙ

2.1. Численные методы решения задач конвективно-диффузионного

переноса и превращения веществ (КДП и ПВ)
2.1.1. Численные методы решения задач массопереноса,
описываемых уравнениями с обыкновенными производными. з
2.1.2. Численные методы решения задач массопереноса,
описываемых уравнениями с частными производными
♦ 2.2. Развитие и особенности методов моделирования
3. НОРМИРОВАНИЕ ТЕХНОГЕННОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ НА ОСНОВЕ СХЕМОТЕХНИЧЕСКОГО
МОДЕЛИРОВАНИЯ
3.1. Принципы схемотехнического моделирования
3.2. Используемая компьютерная база для схемотехнического
моделирования
3.2.1. Система DesignLab
3.2.2. Альтернатива использования новой версии системы DesignLab
- пакета прикладных программ ОгСАБ 9. *
3.2.3. Математический пакет прикладных программ МшЬаЬ
3.3. Схемотехническая реализация типовых задач КДП и ПВ с целью нормирования техногенного загрязнения
3.3.1. Реализация моно- и бимолекулярной моделей
3.3.2. Реализация нестационарного одномерного уравнения
КДПиПВ
3.3.3. Реализация стационарного двухмерного уравнения КДП и ПВ
3.3.4. Реализация стационарного двухмерного уравнения КДП и ПВ
для случая нескольких водовыпусков
3.3.5. Реализация нестационарного одномерного уравнения
^ КДП и ПВ
3.4. Возможность использования пакета прикладных программ МшСАИ 8. *

3.5. Особенности и преимущества задания и реализации начальных и граничных условий при схемотехническом моделировании.
4. МЕТОДИКА И ПРИМЕРЫ СХЕМОТЕХНИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ.
4.1. Моделирование моно- и бимолекулярных процессов БПК-02.
4.2. Моделирование одномерной нестационарной задачи для неконсервативных примесей.
4.2.1. Моделирование одномерной нестационарной задачи с постоянными параметрами для неконсервативных примесей
4.2.2. Моделирование одномерной нестационарной задачи с переменными параметрами для неконсервативных примесей.
4.3. Моделирование двухмерной стационарной задачи для неконсервативных примесей.
4.4. Моделирование двухмерной стационарной задачи для неконсервативных примесей для случая нескольких техногенных источников сброса.
4.4.1. Моделирование двухмерной стационарной задачи для неконсервативных примесей для случая нескольких источников сброса с использованием пакета DesignLab 8.0.
4.4.2. Алгоритм и пример решения по двухмерной стационарной модели КДП и ПВ с несколькими водовыпусками с использованием пакета MatLab 5. *-6. *.
ф 4.5. Дополнительные рекомендации пользователю по использованию возможностей рассмотренных пакетов прикладных программ применительно к данной методике.
4.6. Сравнение схемотехнического моделирования с классическими видами моделирования.
4.6.1. Сравнительная оценка схемотехнического моделирования.
4.6.2. Сравнительная оценка схемотехнического моделирования и распространённых программ «Сброс», «Гидроэкопрогноз» и «Waste».
4.7. Сравнение схемотехнического моделирования с аналитическим решением.
ВЫВОДЫ
ЛИТЕРАТУРА
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Результаты решения моно- и бимолекулярной задач.
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Результаты моделирования одномерной нестационарной задачи КДП и ПВ для неконсервативных примесей.

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Пример моделирования распространения концентраций загрязняющего вещества в реке Вуокса с целью нормирования техногенной
нагрузки и прогноза качества воды по двухмерной стационарной модели КДП и ПВ с несколькими водовыпусками с использованием пакета MatLab
5. * с дополнительными рекомендациями пользователю и подробным описанием ППП для целей данной задачи.
ПРИЛОЖЕНИЕ 4. Сравнение результатов моделирования, полученных с помощью программы Westa 4.5 и DesignLab 8.0.
ПРИЛОЖЕНИЕ 5. Использование специальных (сервисных) процедур при схемотехническом моделировании.
ПРИЛОЖЕНИЕ 6. Акты внедрения.
3.2.3. Математический пакет прикладных программ MatLab
В настоящее время MatLab далеко вышла за пределы специализированной матричной системы и стала одной из наиболее мощных универсальных математических систем. В новую версию вошли такие мощные типы данных, как многомерные массивы, массивы ячеек и разреженные матрицы, что открывает возможности применения системы при создании и отладке новых алгоритмов матричных и основанных на них параллельных вычислений.
В целом MatLab - это уникальная коллекция реализаций современных численных методов, созданных за последние три десятка лет. Она вобрала в себя также опыт, правила и методы математических вычислений, накопленные за тысячи лет развития математики. Систему с прилагаемой к ней обширной документацией вполне модно рассматривать как фундаментальный многотомный электронный справочник по математическому обеспечению ЭВМ - от массовых PC до супер-ЭВМ. Увы, пока преподанный лишь на английском и японском языках.
Возможности MatLab весьма обширны, а по скорости выполнения задач эта система превосходит другие подобные системы. Она применима практически к любой области науки и техники и широко используется при математическом моделировании физических устройств и систем, относящихся к механике, в частности, к динамике, гидро- и аэродинамике, акустике и так далее. Этому способствует не только расширенный набор матричных и иных операций и функций, но и наличие расширения Simulink, предназначенного для решения задач блочного моделирования динамических систем и устройств.
Важным достоинством системы является ее открытость и расширяемость. Большинство команд и функций системы реализованы в виде текстовых М-файлов и файлов на языке С, причем все файлы доступны для модификации. Пользователю предоставлена возможность создавать не только отдельные файлы, но и библиотеки файлов для реализации специфических задач.
Поразительная легкость модификации системы и возможность ее адаптации к решению специфических задач науки и техники привели к созданию десятков пакетов прикладных программ, намного расширивших сферы применения системы. Некоторые из них, например, Notebook (интеграция с текстовым процессором Word и подготовка «живых» электронных книг), Symbolic (символьные вычисления с применением ядра системы Maple R4) и Simulink (симуляция заданных блочно динамических систем и устройств), органично интегрировались с системой MatLab и стали ее составной частью.
Система MatLab оказала большое влияние на разработку ряда пакетов для выполнения матричных операций, например, расчета систем управления (таких как CTRL С, MATRIX и т.д.), в свою очередь вобрав в себя лучшие из их средств, разработанных за более чем 30-летнюю историю развития матричных методов вычислений на ЭВМ. Первая версия системы MatLab была написана на языке Fortran, после чего языком реализации системы стал язык СИ.
Версии системы MatLab 4. * дополнительно обладали следующими средствами:
В области реализации численных методов
- дифференциальные уравнения
- вычисление одномерных и двумерных квадратур
- поиск корней нелинейного алгебраического уравнения
- оптимизация функций ряда переменных
- одномерная и многомерная интерполяция