Проф. Феликс Майрановский

Научный рук. Фирмы “Water Environment Technology GmbH”, Берлин, Германия

Река Иордан – самая знаменитая река мира. В восстановлении этой реки заинтересованы не только жители Израиля, Иордании и Палестинской автономии, но об этом мечтают множество людей разных стран – иудеи, христиане, мусульмане. Кроме символического и религиозного значения, река Иордан играет важнейшую роль водообеспечения региона в условиях жёсткого дефицита воды. Израиль, проявляя добрую волю, заключил с соседними странами ряд соглашений, которые позволили перейти от конфронтации до совместного сотрудничества в целях охраны и использования водных ресурсов р. Иордан. Бывший президент Израиля Шимон Перес писал:

«…Войны за воду ничего не решают... Создание совместной региональной организации… положит конец конфликтам и будет способствовать торжеству мира». Израильский премьер министр Ицхак Рабин: «Я надеюсь, проблемы воды не будут решаться пушками».

За последнее десятилетие, главным образом, в результате целенаправленной деятельности Израиля произошло существенное улучшение качества воды в верховьях р. Иордан. Однако прогнозируемое изменение климата, прирост населения и необходимость экономического развития региона может привести к углубляющему водному кризису, нейтрализация которого требует от всех стран широкого сотрудничества в целях рационального использования воды и улучшению её качества. Важнейшим элементом такого сотрудничества может явиться предлагаемая трансграничная постоянно действующая система управления водными ресурсами р. Иордан. Постоянно действующая система состоит из моделей непосредственно реки Иордан, озера Киннерет и Мёртвого моря. Каждая из этих моделей имеет свои особенности, но при этом обладают единым

принципиальным подходом к решению задачи восстановления и долгосрочного рационального управления водными ресурсами.

WATERMANAGEMENT (JWMAN) – система взаимосвязанного мониторинга и прогнозирования, предназначенная для управления водными ресурсами. Она имеет в своей основе математическую модель, использующую данные гидрологического, гидрохимического, гидробиологического и микробиологического мониторинга водного объекта.

Существенной новизной JWMAN является концепция постоянно действующей системы, заключающейся в тесной взаимосвязи непрерывного мониторинга и математической модели водного объекта.

Система в непрерывном режиме перерабатывает данные измерений, сохраняет их, анализирует и использует для математического моделирования.

Система JWMAN состоит из:

стационарных автоматических измерительных станций, размещаемых непосредственно в водном объекте,

гидрохимических, микробиологических и гидробиологических лабораторий,

сетевых элементов для передачи результатов измерений,

сервера JWMAN с базой данных, математическими моделями и программным пакетом.

С помощью математических моделей, отвечающей требованиям современного состояния техники, выполняются научно обоснованные прогнозы возможных изменений состояния водного объекта при реализации различных вариантов проектируемых мероприятий. Применение многовариантного проектирования на базе постоянно действующей системы позволяет оптимизировать процесс управления водными ресурсами.

Эффективное управление водными ресурсами позволяет:

определять приоритетные водоохранные мероприятия,

устанавливать лимиты на водопользование и водоотведение, рассчитывать предельно допустимую антропогенную нагрузку на водный объект исходя из соблюдения нормативных экологических требований,

научно обосновывать проектирование рациональных конструкций и компоновок различных гидротехнических сооружений,

определять эффективность водопользования и экологичность технологических процессов предприятий,

оперативно выявлять водопользователей, нарушающих установленные лимиты на отбор воды и сбросы загрязняющих веществ,

повышать эффективность совместного использования и регулирования поверхностных и подземных вод бассейна р. Иордан.

Математические модели, симулирующие на современных компьютерах реальные процессы, способны на основе анализа сложных причинно-следственных связей предсказывать не только краткосрочные, но и, что особенно важно, долговременные последствия, связанные с воздействием природных и антропогенных факторов и процессов.

Стохастическая природа гидрометеорологических явлений в общем случае обуславливает структуру расчётной информации, как матрицу случайных величин. В настоящее время, ни одна из известных нам прогнозных моделей не использует более 100, а большинство использует гораздо меньше 50 измерений. По оценкам различных экспертов для определения среднемесячных значений концентраций загрязняющих веществ с точностью, например, 10% требуется массив данных по каждому веществу, включающий в себя от 200 до 5000 – что становится реально возможно только при использовании предлагаемой системы.

Кроме того – и это самое важное – стандартный мониторинг, направленный на анализ общего экологического состояния водного объекта, не удовлетворяет специфическим требованиям к исходной информации для математического моделирования.

Так, одной из важнейших задач анализа исходной информации является установление корреляционных связей между различными гидрохимическими показателями, между параметрами качества воды и гидрологическими данными и т.д. Выполнение такого анализа возможно только при наличии одновременных измерений, на что стандартный мониторинг не ориентирован.

Кроме того, вследствие изменений, вызванных антропогенным воздействием на водный объект, обычные прогнозы, выполненные на основе отдельных измерений, теряют свою актуальность в течение самого короткого времени – примерно за

5 лет, в результате чего, рекомендации по водоохранным мероприятиям также теряют свою актуальность и становятся не эффективными. Предлагаемая система лишена этих недостатков.

Разработанная нами система управления JWMAN состоит из двух взаимосвязанных подсистем:

измерительно-информационной и

математического моделирования и управления.

Назначение первой подсистемы: измерение, сбор, статистическая обработка информации о гидрологическом, гидробиологическом, микробиологическом и гидрохимическом режимах водного объекта, гидрогеологических характеристиках водосбора, загрязнённости донных отложений, составе и загрязнённости различных видов гидробионтов (фитопланктона, высшей водной растительности, рыбы). Одновременно производится сбор и анализ информации об источниках загрязнения водного объекта: количестве и составе сточных вод, загрязнённости атмосферы, объёмам и загрязнённости дождевого стока с водосборной площади. Измерительно-информационная подсистема включает в себя также данные о техническом состоянии и условиях эксплуатации очистных и водохозяйственных сооружений, расположенных в пределах водосборной площади. База исходных данных зависит от типа водного объекта, интенсивности и особенностей водопользования.

Вся эта информация анализируется методами математической статистики. Сбор и анализ информации необходим для оценки экологического состояния водного объекта, особенностей и интенсивности антропогенного воздействия. С помощью статистической обработки исходной информации устанавливаются показатели качества воды заданного уровня вероятности, выделяются различного рода периодические составляющие, тренды.

Особое внимание уделяется анализу корреляционных связей между показателями качества воды и гидрологическими характеристиками водного объекта. В отличие от стандартного статистического подхода, при котором осуществляется отбраковка максимальных значений концентраций, в нашей системе предусматривается детализированное изучение возможных причин появления этих экстремальных значений - например, в результате аварийных ситуаций. Кроме того, информация о загрязнённости донных отложений, взвешенных наносов фитопланктона и рыбы позволяет сделать выводы о взаимосвязи различных элементов экосистемы водного объекта. Большое внимание уделяется анализу режима перемещения взвешенных наносов в реке, в особенности, наиболее мелких фракций, которые являются носителями сорбированных форм ряда загрязняющих веществ. Так, например, около 80 - 90% солей тяжёлых металлов, пестицидов, ряда канцерогенных и других загрязняющих веществ поступает в водные объекты с мельчайшей взвесью.

Вместе с тем, ряд показателей качества воды и донных отложений не могут быть измерены с помощью автоматизированных станций. Поэтому наряду с ними будут использоваться и традиционные лаборатории, оснащённые современной аппаратурой для проведения анализов отобранных проб.

Вторая подсистема базируется на математических моделях водного объекта и состоит из следующих основных элементов:

Гидравлика, гидрология и русловые процессы,

Гидрогеология и гидрогеохимия,

Гидрохимия,

Гидробиология,

Технология очистки сточных вод и подготовки питьевой воды и

Экологическая экономика.

Разработанные динамические модели водного объекта основаны на составлении и решении систем дифференциальных уравнений, базируются на новых концептуальных подходах и содержат ряд новых расчётных методик.

В целях повышения надёжности и точности модельных расчётов предполагается разработать модуль системы, функционирующей по принципу самообучения. Самообучение предполагает наличие обратной связи, когда результаты модельных диагностических расчётов сопоставляются с данными измерений и с помощью специальной программы проводится корректировка параметров модели.

Внешней оболочкой модели служит графический пользовательский интерфейс (GUI) и стандартная географическая информационная система (ГИС). GUI и ГИС позволяют представлять результаты модельных расчетов в удобном для восприятия и использования графическом виде, а конкретные практические рекомендации делать более наглядными и понятными.

Система JWMAN имеет не только существенные социальные и экологические преимущества по сравнению с применяемой в настоящее время практикой частных решений отдельных задач, но и позволяет получить значительные экономические выгоды.

Постоянно действующая система управления водными объектами в своём развитии может явиться основой для международной кооперации в целях охраны и рационального использования водных ресурсов реки Иордан.

От редакции сайта

 Данная статья была предназначена для амуты «Экост» и, возможно, она была опубликована. (Руководитель амуты - покойная проф. Нона Манусова. Вечная ей память).  Но учитывая важность продолжения работ по организации всеобъемлющего мониторинга рек Израиля, считаем необходимым эту статью повторить также и на нашем сайте. В дальнейшем, после перевода статьи на английский и иврит, а также оценки стоимости материальных и финансовых затрат на организацию предлагаемого мониторинга, проинформировать о данном проекте соответствующие службы Израиля, а также соответствующие научные структуры.