В гидрологии и водной экологии и методические указания

К практикуму

«ГИДРОФИЗИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ»

 

Учебно-методическое пособие

 

 

Трушевский В.Л.

 

Санкт-Петербург

 

Реферат

В предлагаемом конспекте лекций изложена терминологическая основа информатики, общая схема системного подхода к изучению гидро и экосистем. Принципы математического моделирования качества воды водных объектов. Теоретические основы методов решения типовых задач КДП и ПВ. Пример постановки задачи формирования качества воды (модели распространения загрязнений в основном русле р. Невы). Даны рекомендации и нормативы составления сопровождающих программы документов. В приложении представлены программы учебных дисциплин «Применение методов информатики в гидрологии» и «Применение ЭВМ в гидрологии», а также соответствующие экзаменационные вопросы.

В учебно-методическом пособии к практикуму по применению ЭВМ в гидрологии рассмотрены основы постановки и решения типичных задач моделирования гидрологических процессов в водоемах и водотоках. В пособии приведены примеры постановки и решения таких характерных задач как тепломассоперенос в водотоке (линейная задача), распространение загрязнений (плановая задача), выхолаживание водоема, распространение тепла в ложе водоема и тепломассоперенос в водоеме (плоская задача). Практические работы в пособии представлены в следующем виде: сущность и задача конкретного примера расчета в гидрологии, условия и порядок выполнения работы, отчетные материалы и контрольные вопросы.

Конспект лекций и учебно-методическое пособие в первую очередь предназначено для студентов по специальности «Гидрология суши», для студентов-географов гидрометеорологических специальностей, а также может быть полезным специалистам, работающим в области изучения водных объектов и их охраны.

 

 

Табл. 31. Рис. 32. Библ. 10.

Содержание

Реферат. 2

Содержание. 3

Предисловие. 7

Введение. Предмет и задачи учебных дисциплин. 8

1. Введение в информатику. 10

1.1. Определение информации. 10

1.2. Свойства информации. 11

1.3. Информационные процессы.. 11

1.4. Процесс хранения информации. 12

1.5. Процесс обработки информации. 12

1.6. Процесс передачи информации. 13

2. Системный подход к гидроло-экологическим расчетам.. 16

2.1. Общие положения. 16

2.1.1. Полевые наблюдения. 23

2.1.2. Эксперимент. 28

2.1.3. Моделирование. 30

2.2. Общая схема системного подхода. 39

2.2.1. Постановка задачи. 40

2.2.2. Концептуализация. 42

2.2.3. Спецификация. 44

2.2.4. Наблюдения. 44

2.2.5. Идентификация. 44

2.2.6. Эксперименты.. 45

2.2.7. Реализация модели. 45

2.2.8. Проверка модели. 45

2.2.9. Исследование модели. 46

2.2.10. Оптимизация. 47

2.2.11. Заключительный синтез. 47

3. Основы алгоритмизации (для лабораторных работ по гидрологии) 54

3.1. Введение. 54

3.2. Алгоритмические действия. 54

3.3. Определение алгоритма и основные требования. 57

3.4. Приведение к процедурному представлению.. 59

3.5. Типовые процедуры.. 61

4. Представление программных документов. 62

4.1. Положение о фонде алгоритмов и программ.. 62

4.2. Отраслевой фонд алгоритмов и программ (ОФАП) 64

4.3. Правила оформления программных документов. 65

4.4. Виды программ и программных документов. 67

4.5. Описание программы.. 69

4.6. Описание применения. 70

5. Математические модели качества воды.. 71

5.1. Принципы математического моделирования качества воды водотоков. 71

5.2. Расчеты процессов конвективно-диффузионного переноса (КДП) 72

5.2.1. Построение математической модели качества воды на основе схематизации процесса КДП и ПВ.. 73

5.2.1.1. Сущность метода КДП и ПВ.. 73

5.2.1.2. Схематическое описание процессов КДП и ПВ.. 77

5.2.1.3. Определение краевых условия для моделирования. 77

5.2.2. Методы решения типовых задач КДП и ПВ.. 78

5.2.2.1. Методы, использующие разложение в ряд Тейлора [8, 9, 10] 78

5.2.2.2. Метод Эйлера [10, 11] 79

5.2.2.3. Методы Рунге-Кутта [10,11, 13, 14] 79

5.2.2.4. Применение метода конечных разностей для решения уравнений КДП и ПВ.. 81

5.2.2.5. Применение метода сеток для решения уравнений КДП и ПВ.. 83

5.2.2.6. Методы непосредственного моделирования. 84

5.2.2.7. Применение метода схемотехнического моделирования. 85

5.3. Имитационное моделирование задач формирования качества воды при различных видах техногенной нагрузки. 87

5.3.1. Принципы моделирования. 87

5.4. Пример постановки задачи формирования качества воды (модели распространения загрязнений в основном русле р. Невы) 92

5.4.1. Гидрологическая оценка объекта исследования (реки Нева) 92

5.4.1.1. Общая характеристика гидросистемы.. 92

5.4.1.2. Сток воды р. Невы и его распределение по рукавам дельты (гидравлическая схема расчета) 93

5.4.1.3. Расчетные формулы.. 95

5.4.1.5. Расчет поперечной диффузии. 96

5.4.1.6. Расчет параметров створа. 97

5.4.1.7. Конфигурация рассеивающего источника задаётся следующим способом.. 97

5.5. Оценка параметров для моделей прогнозирования качества воды в исследуемой системе 97

5.6. Результаты моделирования бассейна р. Невы с спользованием пакета «гидроэкопрогноз 2.97.001» 101

5.6.1. Расчетный участок. 101

5.6.2. Параметры расчётной модели. 105

5.6.3. Основные результаты и выводы по расчетам.. 107

5.7. Невская Губа. 108

5.7.1. Краткая характеристика Невской губы.. 108

5.7.2. Моделирование прибрежных зон Финского залива (Краткое описание модели экосистемы Финского залива) [26] 111

5.7.3. Список литературы.. 112

6. Гидрологические расчеты распространения примесей. 114

6.1. Постановка задачи. 114

6.2. Выбор схемы решения задачи массопереноса в воде. 115

6.3. Литература. 119

7. Методические указания к практикуму. 121

«Расчеты тепломассопереноса в реках и водоемах». 121

7.1. Общие положения. 121

7.2. Условия однозначности. 124

7.3. Методы решения задач. 126

7.4. Практикум «Расчеты тепломассопереноса в реках и водоемах». 129

7.4.1. Задача 1. Расчёт вертикального распределения температуры воды в водоёме при открытой водной поверхности (без учёта факторов гидродинамики) 129

7.4.1.1. Постановка задачи. 129

7.4.1.2. Пример решения. 130

7.4.2. Задача 2. Расчёт теплообмена в ложе водоёма. 131

7.4.2.1. Постановка задачи. 131

7.4.2.2. Пример решения. 132

7.4.3. Задача 3. Расчёт среднедневного и среднедекадного значения коэффициента теплопроводности для слоя снега при постоянной его плотности. 133

7.4.3.1. Постановка задачи. 133

7.4.3.2. Пример решения. 134

7.4.4. Задача 4. Расчёт разбавления сточных вод в реках по методу А.В. Караушева (плоская задача) 135

7.4.4.1. Постановка задачи. 135

7.4.4.2. Пример решения. 136

7.4.5. Задача 5. Расчёт теплопереноса в водотоке. 138

7.4.5.1. Постановка задачи. 138

7.4.5.2. Пример решения. 141

7.6.Литература. 143

8. Приложения. 144

8.1.Программа учебной дисциплины.. 145

«ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДОВ ИНФОРМАТИКИ В ГИДРОЛОГИИ». 145

САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА.. 149

8.2.Программа учебной дисциплины.. 151

«ПРИМЕНЕНИЕ ЭВМ В ГИДРОЛОГИИ». 151

САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА.. 154

8.3. Вопросы по информатике. 156

Предисловие

Конспект лекций по информатике и методические указания к Практикуму по применению ЭВМ в гидрологии составлены в соответствии с учебными программами по курсам «Применение информатики в гидрологии» и «Применение ЭВМ в гидрологии», утвержденной ученым советом факультета географии и геоэкологии Санкт-Петербургского университета Федерального агентства по образованию Российской Федерации для специальности географ-гидролог.

Конспект лекций и учебно-методическое пособие предназначено для студентов, обучающихся по специальности «Гидрология суши» на факультете географии и геоэкологии Санкт-Петербургского государственного университета.

Учебный курс предполагает хорошее знание методологии и источников получения натурных данных в гидрологии, и в свою очередь, является основой, на которой базируются специальные гидрологические дисциплины.

Материал излагается параллельно с изучением студентами таких специальных дисциплин, как «Практикум по гидрометрии», «Методы и средства гидрометрических измерений», «Гидромеханика», «Гидравлика», «Гидрохимия» и др. В связи с этим излагаемые примеры и ссылки на натурные материалы, а также практические задания в пособии увязываются с указанными дисциплинами.

Практические работы разъясняют и дополняют технологию постановки задач в области гидрологии и экологии водных объектов. В конце пособия приведены примеры постановки и решения такие характерных задач как тепломассоперенос в водотоке (линейная задача), распространение загрязнений (плановая задача), выхолаживание водоема, распространение тепла в ложе водоема и тепломассоперенос в водоеме (плоская задача). Практические работы в пособии представлены в следующем виде: сущность и задача конкретного примера расчета в гидрологии, условия и порядок выполнения работы, отчетные материалы и контрольные вопросы.

Ниже рассмотрены некоторые основные понятия информатики и моделирования в гидрологии и экологии.

Введение. Предмет и задачи учебных дисциплин

Информатика как наука расширяет свою предметную область и из технической дисциплины о методах и средствах обработки данных при помощи средств вычислительной техники превращается в фундаментальную естественную науку об информации и информационных процессах в природе и обществе. Информатика — это фундаментальная естественная наука, изучающая процессы передачи и обработки информации.

Академик Б. Н. Наумов определял информатику "как естественную науку, изучающую общие свойства информации, процессы, методы и средства ее обработки (сбор, хранение, преобразование, перемещение, выдача)".

Информатику следует относить к естественнонаучным дисциплинам в соответствии с представлением о единстве законов обработки информации в искусственных, биологических и общественных системах. Отнесение информатики к фундаментальным наукам отражает общенаучный характер понятия информации и процессов ее обработки. В предмет информатики включается изучение отношений между источником и получателем информации.

Но информатика имеет черты технических и общественных наук, поэтому она является комплексной, междисциплинарной отраслью научного знания. Именно развитие информатики позволило перейти от простого наблюдения и естественнонаучного эксперимента к математическому моделированию различных процессов в природной среде. Особенно интенсивное развитие прикладного моделирования в гидрологии и природопользовании началось с появлением теории турбулентной диффузии и его частного приложения к задачам «мелкой воды».

Водная экология (гидроэкология) - одно из наиболее востребованных в настоящее время направлений гидрологической науки. Для решения ее задач широко используются современные методы исследований, информационные технологии, в том числе математическое моделирование. В пособие уделено отдельное внимание моделированию в гидроэкологии, рассмотрено экосистемное моделирование, модели качества воды, а также дано краткое описание эколого-экономических оптимизационных моделей.

Математические модели качества воды можно разделить на две большие дополняющие друг друга группы: имитационные модели, которые создаются для чисто практических целей и представляют собой реализацию на ЭВМ алгоритмов аппроксимирующих динамику процессов в конкретных системах и модели общетеоретического значения.

Основными задачами учебного курса являются:

· Ознакомление с терминологической основой информатики.

· Освоение системного подхода к изучению природных процессов в гидро- и экосистемах.

· Понимание принципов математического моделирования качества воды водных объектов.

· Изучение теоретических основ методов решения типовых задач конвективно-диффузионного переноса и переноса веществ.

· Знакомство с примерами постановки задачи формирования качества воды (различные модели распространения загрязнений в водных объектах).

· Умение составления сопровождающих программы документов (на основе существующих нормативов).

· Наработка практического опыта по решению типичных задач гидрологии (расчета гидрологического режима водных объектов) с помощью ЭВМ.

В приложении представлены программы учебных дисциплин «Применение методов информатики в гидрологии» и «Применение ЭВМ в гидрологии», а также соответствующие экзаменационные вопросы.

Исследование и изучение методов информатики и моделирования на ЭВМ необходимо для выполнения гидрологических и водохозяйственных расчетов при проектировании, строительстве и эксплуатации гидротехнических сооружений, а также для научных выводов и обобщений в гидрологии.

Устройство ЭВМ и элементы программирования на алгоритмических языках рассматриваются в отдельном учебном курсе «Информатика». Разработка методов и подходов для изучения элементов режима водных объектов рассматриваются в отдельном учебном курсе «Гидравлика». Организация и производство специальных водных исследований в связи с водохозяйственным проектированием изучаются в курсе «Гидрология суши» для бакалавриата. Практические расчеты для организации гидрологических станций и постов, организация наблюдений и соответствующие требования к обработке и анализу натурных данных рассматриваются в учебных курсах «Методы гидрологических измерений» и «Практикум по гидрометрии». Все перечисленные курсы подразумевают использование элементов информатики и ориентированы на различные прикладные пакеты обработки и моделирования с помощью ЭВМ. Поэтому студенты должны освоить общие принципы использования интерфейсов и программирования на ЭВМ. Однако ключевым моментом в их подготовке является освоение принципов постановки задач гидрологического типа для решения ихс помощью ЭВМ.

В предлагаемом конспекте лекций изложен обще теоретические вопросы, а в учебно-методическом пособии к практикуму по применению ЭВМ в гидрологии рассмотрены основы постановки и решения типичных задач моделирования гидрологических процессов в водоемах и водотоках. В пособии приведены примеры постановки и решения таких характерных задач как тепломассоперенос в водотоке (линейная задача), распространение загрязнений (плановая задача), выхолаживание водоема, распространение тепла в ложе водоема и тепломассоперенос в водоеме (плоская задача). Практические работы в пособии представлены в следующем виде: сущность и задача конкретного примера расчета в гидрологии, условия и порядок выполнения работы, отчетные материалы и контрольные вопросы.

Введение в информатику

Определение информации

Понятие информация является одним из фундаментальных в современной науке и базовым для информатики. Наряду с такими понятиями, как вещество и энергия, пространство и время, оно составляет основу современной картины мира, ее относят к фундаментальным философским категориям. Понятие информации многозначно и имеет множество определений, раскрывающих ту или иную грань этого понятия. В зависимости от области знания существуют различные подходы к определению понятия информации.

В философском словаре говорится, что информация (лат. informatio — разъяснение, изложение) — это, во-первых, некоторые сведения, совокупность каких-либо данных, знаний; во-вторых — одно из основных понятий кибернетики [1, с.172 ]

В неживой природе понятие информации связывают с понятием отражения, отображения, в быту под информацией понимают сведения, которые нас интересуют, т.е. сведения об окружающем мире и протекающем в нем процессах, воспринимаемые человеком или специальными устройствами (субъективный подход). Информация для человека — это знания, которые он получает из различных источников. С помощью всех своих органов чувств человек получает информацию из внешнего мира.

В лингвистике под информацией понимают не любые сообщения, а только те из них, которые обладают новизной или полезностью, т.е. учитывается смысл сообщения.

Под информацией в технике понимают сообщения, передаваемые в форме знаков или сигналов.

В теории связи под информацией принято понимать любую последовательность символов, не учитывая их смысл.

В теории информации под информацией понимают не любые сведения, а лишь те, которые снимают полностью или уменьшают существующую до их получения неопределенность. По определению К. Шеннона, информация — это снятая неопределенность.

Между информатикой и кибернетикой существует тесная связь. Основанная американским ученым Норбертом Винером в конце 40-х годов 20 в., кибернетика породила современную информатику, выполнила роль одного из ее источников. Сейчас кибернетика входит в информатику как составная часть. Кибернетика имеет дело со сложными системами: машинами, живыми организмами, общественными системами. Кибернетику интересуют процессы взаимодействия между такими системами или их компонентами. Рассматривая такие взаимодействия как процессы управления, кибернетику определяют как науку об общих свойствах процессов управления в живых и неживых системах. Информация между кибернетическими системами передается в виде некоторых последовательностей сигналов. Выходные сигналы одних участников обмена являются входными для других.

Под информацией в кибернетике понимается любая совокупность сигналов, воздействий или сведений, которые некоторая система воспринимает от окружающей среды (входная информация), выдает в окружающую среду (выходная информация) или, наконец, хранит в себе (внутренняя, внутрисистемная информация) [2, с. 22].

С точки зрения кибернетики, информацией является содержание передаваемых сигнальных последовательностей. В частности, любой текст на каком либо языке есть последовательность букв (в письменной форме) или звуков (в устной форме), которые можно рассматривать как графические или акустические сигналы.

Еще один подход к определению информации таков: средства вычислительной техники обладают способностью обрабатывать информацию автоматически, без участия человека, и ни о каком знании или незнании здесь речь идти не может. Эти средства могут работать с искусственной, абстрактной и даже ложной информацией, не имеющей объективного отражения ни в природе, ни в обществе.

Информация — это продукт взаимодействия данных и адекватных методов.

Данные — это зарегистрированные сигналы. Данные несут в себе информацию о событиях, произошедших в материальном мире, поскольку они являются регистрацией сигналов, возникших в результате этих событий. Однако данные не тождественны информации. Для того чтобы извлечь информацию из данных необходимо наличие метода. [3, с. 13]

Информацию следует считать особым видом ресурса, т.е. запаса некоторых сведений об объекте. Однако, в отличие от материальных ресурсов, информация является неистощимым ресурсом и предполагает существенно иные методы воспроизведения и обновления.

Свойства информации

Перечислим основные свойства информации:

· запоминаемость — возможность хранения информация (мы запоминаем макроскопическую информацию);

· передаваемость — способность информации к копированию;

· воспроизводимость — неиссякаемость: при копировании информация остается тождественной самой себе;

· преобразуемость — преобразование информации связанное с ее уменьшением; стираемость — преобразование информации, когда ее количество становится равным нулю;

· объективность и субъективность — информация объективна, если она не зависит от чьего-либо мнения, суждения;

· достоверность — информация достоверна, если она отражает истинное положение дел;

· полнота — характеризует качество информации и определяет достаточность данных для принятия решений или для создания новых данных на основе имеющихся;

· адекватность — степень соответствия реальному объекту;

· доступность — мера возможности получить ту или иную информацию;

· актуальность — степень соответствия информации текущему моменту времени.

Информация может быть непрерывной и дискретной. Если источник вырабатывает непрерывный сигнал (изменяющийся во времени физический процесс), то соответствующая информация является непрерывной. Если же сигнал от источника принимает конечное число значений, которые могут быть пронумерованы, то соответствующая информация является дискретной. Непрерывное сообщение можно преобразовать в дискретное. Передача информации с помощью азбуки Морзе — это пример дискретной связи.

 

Информационные процессы

Информация проявляется в информационных процессах. Под информационными процессами понимаются любые действия с информацией. В структуре возможных операций с информацией можно выделить следующие:

· поиск — извлечение хранимой информации;

· сбор — накопление информации с целью обеспечения достаточной полноты для принятия решений;

· формализация — приведение данных, поступающих из различных источников, к одинаковой форме, чтобы сделать их сопоставимыми между собой;

· фильтрация — отсеивание "лишних" данных, в которых нет необходимости для принятия решения;

· сортировка — упорядочение данных по заданному признаку с целью удобства использования; повышает доступность информации;

· архивация данных — организация хранения данных в удобной и легкодоступной форме; служит для снижения экономических затрат по хранению данных и повышает общую надежность информационного процесса в целом;

· защита данных — комплекс мер, направленных на предотвращение утраты, воспроизведения и модификации данных;

· транспортировка данных — прием и передача данных между удаленными участниками информационного процесса;

· преобразование данных — перевод данных из одной формы в другую или из одной структуры в другую.

 

Это далеко не полный список типовых операций с данными. Полный список операций с информацией составить невозможно, да и не нужно. Существуют три основных типа информационных процессов, которые как составляющие присутствуют в любых других более сложных процессах. Это хранение информации, передача информации и обработка информации.

Процесс хранения информации

С хранением информации связаны следующие понятия: носитель информации (память), внутренняя память, внешняя память, хранилище информации.

Носитель информации — это физическая среда, непосредственно хранящая информацию. Основным носителем информации для человека является его собственная биологическая память (мозг человека). Собственную память человека можно назвать оперативной ("быстрой") памятью. Собственную память еще можно назвать внутренней памятью, поскольку ее носитель — мозг — находится внутри нас.

Все прочие виды носителей информации можно назвать внешними (по отношению к человеку). Виды этих носителей менялись со временем: камень, дерево, папирус, бумага, магнитные, оптические носители информации.

Хранение больших объемов информации оправдано только при условии, если поиск нужной информации можно осуществить достаточно быстро, а сведения получить в доступной форме.

Хранилище информации — это определенным образом организованная информация на внешних носителях, предназначенная для длительного хранения и постоянного использования. Примерами хранилищ являются архивы документов, библиотеки, справочники, картотеки. Основной информационной единицей хранилища является определенный физический документ: анкета, книга, дело, досье, отчет и пр. Под организацией хранилища понимается наличие определенной структуры, т.е. упорядоченность, классификация хранимых документов. Такая организация необходима для удобства ведения хранилища: пополнения новыми документами, удаления ненужных, поиска информации и пр.

Основные свойства хранилища информации: объем хранимой информации, надежность хранения, время доступа (т.е. время поиска нужных сведений), наличие защиты информации.

Информацию, хранимую на устройствах компьютерной памяти, принято называть данными. Для описания хранения данных в компьютере используются те же понятия: носитель, хранилище данных, организация данных, время доступа, защита данных. Организованные хранилища данных на устройствах внешней памяти компьютера принято называть базами данных и банками данных.