Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Экология регулирования гидравлических и биологических факторов малых естественных и искусственных водотоков юга России

ВАК РФ 11.00.11, Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Текст научной работыДиссертация по географии, кандидата технических наук, Турянская, Наталья Ивановна, Ростов-на-Дону

7

/п

ай

о

гь

Министерство общего и профессионального образования

Российской Федерации Ростовский государственный строительный университет

Министерство сельского хозяйства и продовольствия Российской Федерации Новочеркасская государственная мелиоративная академия

На правах рукописи

ТУРЯНСКАЯ Наталья Ивановна

ЭКОЛОГИЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ И БИОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ МАЛЫХ ЕСТЕСТВЕННЫХ И ИСКУССТВЕННЫХ ВОДОТОКОВ ЮГА РОССИИ

Специальность 11.00.11- "Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов" (технические науки)

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Н. С. Серпокрылов ' Научный консультант - кандидат технических наук, доцент Л. А. Долженко

Ростов-на-Дону 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

С

ВВЕДЕНИЕ.............................. 5

1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ В ОБЛАСТИ ИЗУЧЕНИЯ ПРОЦЕССОВ ФОРМИРОВАНИЯ КАЧЕСТВА ВОДЫ В ВОДНЫХ ОБЪЕКТАХ......................... 10

1.1 Основные факторы, влияющие на интенсивность процессов улучшения качества воды.................... 10

1.2 Особенности процессов деструкции загрязнений в естественных и искусственных водотоках................. 18

1.3 Техника и технологии интенсификации процессов доочистки сточных вод в биологических прудах с естественной аэрацией . 24

1.4 Цель и задачи исследований.................. 42

2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОЦЕССОВ ОЧИСТКИ ВОД ИСКУССТВЕННЫХ И ЕСТЕСТВЕННЫХ ВОДОТОКОВ . . . ............................ 44

2.1 Условия формирования иммобилизованного биоценоза в биологических прудах......................... 44

2.2 Особенности кислородного режима в биопрудах со сложным биоценозом............................. 50

2.3 Возможности регулирования гидравлических параметров работы биологических прудов с естественной аэрацией....... 52

3 ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ СОПРОТИВЛЕНИЙ ЗАРОСШИХ РУСЕЛ ................ 63

3.1 Особенности гидравлического моделирования заросших русел . 63

3.2 Описание лабораторных установок, оборудования и методики проведения опытов......................... 67

3.3 Методы статистической обработки результатов лабораторных исследований........................... 75

3.4 Исследование влияния характера расположения растительных элементов на коэффициенты шероховатости и гидравлического трения............................... 78

3.5 Нахождение зависимостей для оценки гидравлических сопротивлений заросшего русла..................... 85

4 НАТУРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ФАКТОРОВ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИХ ПРОЦЕССЫ ФОРМИРОВАНИЯ КАЧЕСТВА ВОДЫ........ 94

4.1 Объекты исследований...................... 94

4.2 Методика проведения натурных исследований......... 98

4.3 Исследование биоценоза проточного биологического пруда с естественной аэрацией....................... 104

4.3.1 Состав биоценоза....................... 104

4.3.2 Иммобилизованный биоценоз............... 108

4.4 Статистический анализ натурных данных о зарастаемости водотоков Ростовской области.................... 111

4.4.1 Оценка статистических характеристик для полупогружённой растительности....................... 111

4.4.2 Оценка статистических характеристик для погружённой водной растительности..................... 121

4.5 Оценка гидравлических характеристик заросших малых водотоков ................................ 123

4.5.1 Исследование скоростной структуры потока в заросших естественных и искусственных руслах .............. 124

4.5.2 Оценка коэффициентов шероховатости и гидравлических сопротивлений заросших малых водотоков...........133

4.6 Исследование коэффициента объёмного использования проточного биологического пруда.................. 147

4.7 Исследование кислородного режима водных объектов .... 151 4.7.1 Изучение кислородного режима р. Грушевка в створах на-

блюдений № 1-16........................ 151

4.7.2 Оценка изменения содержания растворённого кислорода в биологическом пруде очистных сооружений канализации НЗСП.............................. 156

5 РЕКОМЕНДАЦИИ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПО ПОВЫШЕНИЮ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ БИОЛОГИЧЕСКИХ ПРУДОВ С ЕСТЕСТВЕННОЙ АЭРАЦИЕЙ........................ 173

5.1 Дополнения и изменения методики расчёта биологических прудов с естественной аэрацией................. 173

5.2 Предложения по реконструкции биологических прудов на примере Кадамовских очистных сооружений канализации завода НЗСП г. Новочеркасска .................... 175

5.3 Предложения по реконструкции биологических прудов очистных сооружений канализации г. Усть-Лабинска......... 186

6 ЭКОЛОГО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ РЕГУЛИРОВАНИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ И БИОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ В БИОЛОГИЧЕСКИХ ПРУДАХ..................... 189

6.1 Оценка эколого-экономической эффективности реконструкции биологического пруда очистных сооружений завода НЗСП ... 189

6.2 Оценка эколого-экономической эффективности реконструкции биологических прудов очистных сооружений канализации

г. Усть-Лабинска.......................... 196

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ......................... 199

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ........... 201

ПРИЛОЖЕНИЯ............................. 218

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. В последние десятилетия естественные малые водотоки подвергаются повышенному антропогенному воздействию, которое особенно сильно сказывается на экологическом состоянии малых рек степной зоны юга России. Для естественных водотоков, протекающих в данной зоне, характерно неудовлетворительное гидрологическое состояние, обусловленное снижением водности из-за высокой распаханности водосборов (70-90 %) и неупорядоченности в регулировании стока [86]. Ветровая и водная эрозия почв, свойственная для степной зоны, вызывает заиление русел малых рек. Кроме того, малые реки в основном являются первичными приёмниками антропогенных загрязнений, что также отрицательно сказывается на их экологическом состоянии. По данным H.H. Михеева и C.B. Яковлева [169], а также других авторов 85-90 % загрязнений поверхностных водотоков и водоёмов формируется за счёт диффузионного стока, т.е. за счёт смывания с территории водосбора загрязняющих веществ дождевыми и талыми водами.

Снизить антропогенное воздействие на водотоки можно за счёт доочи-стки сбросных сточных вод в биологических сооружениях, таких, как биологические пруды с естественной аэрацией. Однако наряду с положительными сторонами (простота в обслуживании, экономическая эффективность и т.д.), этим сооружениям присущи и серьёзные недостатки, такие, как низкая эффективность очистки, неудовлетворительная гидравлическая структура потока, неуправляемость протекающими в них процессами, возможность вторичного загрязнения и т.д. В связи с этим, одной из важных задач является анализ и изучение причин низкой эффективности работы данных сооружений, а также поиск способов интенсификации их режимов путём управления протекающими в них процессами доочистки сточных вод.

Актуальной задачей в условиях антропогенного воздействия на водные объекты является управление процессами улучшения качества воды в водотоках путем регулирования их зарастания с тем, чтобы, с одной стороны, дости-

галась степень очистки, а с другой - обеспечивалась пропускная способность и скорости течения, необходимые для поддержания жизнеспособности водных экосистем.

Работа выполнялась в рамках госбюджетной темы «Совершенствование процессов очистки природных и сточных вод южного региона с учётом экологических требований» (№ гос. регистрации 01.9.40001739) и в рамках государственной программы «Архитектура и строительство».

Цель работы: теоретически и экспериментально обосновать способы повышения самоочищающей способности и экологической безопасности естественных и искусственных водотоков путём направленного регулирования их гидравлических и биологических параметров.

Для обеспечения направленного регулирования гидравлических и биологических характеристик естественных и искусственных водотоков необходимо было решить следующие основные задачи:

- теоретическое обоснование оптимальной структуры биоценоза в биологических прудах с естественной аэрацией с использованием полупогружённой высшей водной растительности в качестве естественных носителей иммобилизованных микроорганизмов;

- оптимизация схем расположения водной растительности по площади биопрудов;

- получение расчётных зависимостей для оценки влияния водных растений на гидравлические характеристики водотоков и проточных биопрудов;

- изучение гидравлического режима работы биопруда и разработка рекомендаций по его улучшению;

- исследование закономерностей изменения кислородного режима по глубине, площади поперечного сечения и длине биопруда с учетом процессов реаэра-ции и фотосинтеза водных растений;

- исследование видового состава биоценоза в биологических прудах;

- разработка рекомендаций по регулированию процессов доочистки вод в биологических прудах с естественной аэрацией за счёт увеличения площади поверхности контактных носителей (подводной части полупогруженных растений).

Научная новизна заключается в следующем:

- теоретически обоснована возможность использования жестких стеблей полупогружённой растительности в качестве естественных контактных носителей для биомассы прикреплённых микроорганизмов, активно участвующих в улучшении качества воды;

- предложена наиболее рациональная схема расположения естественных контактных носителей в проточных биологических прудах, состоящая в создании насаждений полупогружённых растений с жёсткими стеблями на затопленных дамбах, расположенных перпендикулярно направлению движения потока, и чередующихся с зонами, занятыми полупогружённой растительностью с плавающими корнями;

- получены зависимости для оценки гидравлических сопротивлений русел, заросших полупогружённой растительностью с жёсткими стеблями и погружёнными водными растениями;

- построены экспериментальные кривые, отражающие связь между коэффициентом гидравлического трения заросшего русла и числом Рейнольдса при разных значениях плотности полупогружённых растений;

- установлена взаимосвязь между скоростной структурой потока, формирующейся под влиянием водной растительности, и распределением содержания кислорода по площади поперечного сечения проточного биологического пруда;

- разработана методика гидравлического расчёта биологических прудов с учётом степени их зарастания различными видами водных растений.

Практическая значимость результатов работы:

- предложена новая конструкция биопруда с естественной аэрацией с чередующимися поперечными затопленными дамбами, засаженными тростником, и сетчатыми контейнерами с плавающими водными растениями (эйхорнией), которая позволяет увеличить коэффициент использования объёма пруда с 0,67 до 0,80;

-составлены и приняты в проектную и эксплуатационную практику рекомендации по регулированию процессов самоочищения в естественных и доочист-ки в искусственных водотоках;

- показана эколого-экономическая эффективность предложенных технических решений по регулированию процессов самоочищения по сравнению с существующими;

- отдельные фрагменты результатов исследований внедрены в практику до-очистки сточных вод в биологических прудах сооружений г. Новочеркасска Ростовской области, г. Усть-Лабинска Краснодарского края, рекомендации на проектирование приняты АО институт РОСТОВСКИЙ ВОДОКАНАЛПРО-ЕКТ.

На защиту выносятся:

- эколого-экономическое обоснование повышения самоочищающей способности естественных и искусственных водотоков путём целенаправленного регулирования их биологических и гидравлических параметров;

- результаты лабораторных и натурных исследований по изучению кислородного, температурного и гидравлического режимов в естественных и искусственных водотоках;

- методика гидравлического расчёта биологических прудов с естественной аэрацией с учётом степени их зарастания различными типами водных растений;

- результаты статистического анализа данных о зарастаемости русел малых рек и биологического пруда в Ростовской области;

- результаты экспериментов по изучению влияния полупогружённой растительности на гидравлические сопротивления русла;

- рекомендации по целенаправленному регулированию биологических и гидравлических параметров работы проточных биологических прудов с естественной аэрацией и технические предложения по их внедрению при проектировании и строительстве новых и реконструкции существующих сооружений этого типа.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались на научно-практической конференции молодых учёных и студентов «Проблемы экологии и мелиорации юга России» (Новочеркасск, 1994), на международной конференции «Экологические проблемы сельскохозяйственного производства» (Воронеж, 1994), на региональной научно-теоретической конференции «Проблемы ирригации в Ростовской области» (Новочеркасск, 1995), на региональной научно-практической конференции «Комплексное использование и охрана водных ресурсов» (Новочеркасск, 1995), на международных научно-практических конференциях РГСУ «Строительство - 98, 99» (Ростов-на-Дону, 1998, 1999).

Автор приносит благодарность заслуженному деятелю науки и техники РФ, доктору технических наук, профессору Косиченко Ю.М. за консультации при проведении лабораторных исследований в лаборатории гидравлики Новочеркасской государственной мелиоративной академии.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, библиографического списка использованной литературы и приложений. Общий объём диссертационной работы страниц, в т.ч. 157 страниц машинописного текста, 22 рисунка, 28 таблиц. Библиографический список использованной литературы включает 174 наименований, в т.ч. 8 работ зарубежных авторов.

1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ В ОБЛАСТИ

ИЗУЧЕНИЯ ПРОЦЕССОВ ФОРМИРОВАНИЯ КАЧЕСТВА ВОДЫ В

ВОДНЫХ ОБЪЕКТАХ

1.1 Основные факторы, влияющие на интенсивность процессов улучшения качества воды

Эффективность протекания процесса самоочищения в водных объектах определяется множеством различных факторов, анализ которых проводится в трудах отечественных и зарубежных учёных [1-3, 17, 22-24, 27-31, 43-46,6770, 77-78, 86-88, 90-92, 94-97, 99-100, 109-115, 125, 133, 136-140, 144, 156-160, 164-174 и др.]. Основополагающими механизмами улучшения качества воды по А.Ф. Францеву [157, 164] является улучшение кислородного режима водоёмов и водотоков, разрушение органических веществ и ускоренная их минерализация прибрежными и донными песками, регулирование «цветения» биологическими методами с помощью высшей водной растительности. А.Н. Попов, обобщая в своей работе [125] факторы, в наибольшей степени влияющие на самоочищающую способность водных экосистем, говорит о значительном воздействии на этот процесс природных условий, состава поступающих загрязнений, гидравлических и гидрологических характеристик потока.

Значимость тех или иных факторов возрастает или, наоборот, уменьшается в зависимости от конкретной экологической обстановки, складывающейся в определённом водном объекте. Однако большинством авторов признаётся тот факт, что одним из важнейших показателей, характеризующих интенсивность и направленность процессов самоочищения и самозагрязнения, выступает содержание растворённого кислорода, который необходим для окисления органических веществ и жизнедеятельности гидробионтов.

Кислород может поступать в воду двумя естественными путями - из атмосферы и в результате фотосинтеза водной растительности (высших вод-

ных растений и фитопланктона). Соответственно, содержание кислорода зависит от площади открытой водной поверхности, гидродинамических факто-ров(скорости течения и турбулентного перемешивания водных масс), от температуры воды, биохимических и ряда других факторов [30]. Исследование влияния каждого из этих факторов на изменение концентрации кислорода должно способствовать поиску путей улучшения кислородного режима водных объектов. Так, турбулентное перемешивание водных масс определяется прежде всего скоростью течения, уклоном, извилистостью и шероховатостью русла [30]. Соответственно, закономерным является вопрос об исследовании взаимосвязей каждого из этих факторов с содержанием кислорода. Однако, до сих пор данный вопрос не нашёл должного освещения в научной литературе.

Учёные до сих пор расходятся во мнениях по поводу величины вклада высшей водной растительности и планктона в процесс фотосинтетической аэрации. Так, Т.Н. Сивко и В.Г. Кондратюк [142] отметив, что в загрязнённых малых реках обогащение воды кислородом в тёплый период года идёт преимущественно за счёт фотосинтетической аэрации, анализируют лишь интенсивность фотосинтеза планктона и не учитывают большое значение погружённой водной растительности в насыщении воды кислородом, которое отмечается многими авторами. И.Д. Родзиллер, В.М.Зотов, Г. Г. Винберг и ряд зарубежных исследователей подчёркивают, что высшая водная растительность в процессах фотосинтетической реаэрации играет не меньшую, а в отдельных случаях значительно большую роль, чем фитоплан�