Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Эколого-гидрологические аспекты прогнозирования последствий и нормирования сброса сточных вод в водные объекты

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

Автореферат диссертации по теме "Эколого-гидрологические аспекты прогнозирования последствий и нормирования сброса сточных вод в водные объекты"

м

На правах рукописи

ЛЕПИХИН Анатолий Павлович

ЭКОЛОГО-ГИДРОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ПОСЛЕДСТВИЙ И НОРМИРОВАНИЯ СБРОСА СТОЧНЫХ ВОД В ГОДНЫЕ ОБЪЕКТЫ

ll.GO.ll - Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов.

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора географических наук

Москва 1995

Работа выполнена в Институте экологии и генетики микроорганизмов Уро РАН

Научный консультант член-корр. РАН, профессор В. А. Черешней

Официальные оппоненты: доктор географических наук .профессор Шахов Иван Семенович

доктор технических наук, профессор Ефремычев Владимир Александрович

доктор физико-математических наук Веницианов Евгений Викторович

Ведущая организация: Российский научно-исследовательский институт водного хозяйства

Защита состоится 10 января 1036 г. в 13 часов на заседании диссертационного совета Д 120.59.03 в Государственной университете по земелеустройству.

Адрес: 103064, Москва, ул. Казакова, 15, Государственный университет по землеустройству, тел. 261-71-13.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного университета по землеустройству.

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенные печатью) высылать по указанному адресу ученому секретарю совета.

Автореферат разослан 8 декабря 1995 года.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук Козелкина

Актуальность темы, в современном индустриальном типе цивилизации рост качества жизни сопровождается значительным усилением техногенного потока вещества и энергии. Наиболее кардинальным решением данной проблемы является создание замкнутых производственных комплексов и связанной с ними концепции "абсолютной безопасности". Естественно, такой подход может в значительной степени решить проблему

<человек>_<окружающая среда> в рамках индустриальной цивилизации.

Однако реальные технологические проработки по реализации этой концепции показали, что достигаемая степень технологической "замкнутости" большинства производственных процессов существенно нелинейна по отношению к величине затрат, требуемых для ее реализации.В то же время.традиционные подходы к достижению этой "замкнутости" связаны в значительной мере с перераспределением консервативных поллютантов из среды с большей подвижностью в менее подвижную, что. как правило, значительно увеличивает масштабы потенциальной экологической опасности.

В рамках этих проблем существенное место занимает задача прогнозирования и регламентации сброса сточных вод в водные объекты. В настоящее время для решения этих вопросов разработан болыюй объем нормативных и методических материалов.Значительная их часть посвяшена решению проблемы в рамках: <водовыпуск>- <водный объект>. Данный же подход может быть оправдан в том случае,если водопользователи через загрязнение водного объекта не оказывают влияния друг на друга. Однако, как правило, они группируются как территориально-промышленные комплексы (ТПЮ, в пределах которых и оказывают существенное взаимное влияние. Водные

объекты, включая их водосборные площади, представляют собой единые системы, поэтому объективные оценки возможных последствий техногенного воздействия могут быть получены только при учете всех источников загрязнения, расположенных в рассматриваемом бассейне,

Принципиальное значение для решения задач прогнозирования и нормирования имеет установление уровней безопасного содержания поллютантов в водных объектах. Традиционный подход к установлению ПЖ на основе биотических тест систем без учета гидрологических и гидрохимических особенностей не дает оснований для надежных прогнозов. Необходима разработка альтернативных моделей. Наибольшую актуальность, требующую к себе повышенного внимания, представляет в настоящее время проблема гетерофазнонеконсервативных поллютантов.

Данные поллютанты, представленные в первую очередь весьма токсичными тяжелыми металлами, активно мигрируя и накапливаясь в отдельных звеньях системы <вода>-<взветенные наносы>-<донные отложения*, создают существенную опасность повторного загрязнения. Описание их распространения в водных объектах требует учета и анализа значительного количества дополнительных факторов. Особенность миграции данных поллютантов требует нетревиального подхода к построению объектитплт «ритгрилп их пормиропания. Они требуют учета всех потоков поллютантов, распространяемых в водных объектах.

В то же время данные поллютанты являются наиболее характерными компонентами загрязнения сточных вод прядприятиями ряда крупных отраслей промышленности: горнодобывающей, металлургической, машиностроительной, а также некоторых химических производств.

Цель и задачи работы С03ДЙНИ6 СИСТ6М Прогнозирования

абиотических последствий и нормирования техногенных нагрузок, связанных со сбросом сточных вод в водные объекты на основе комплексного анализа процессов миграции поллютантов в масштабах крупных территориально-административных единиц Сна примере Пермской области).

Для достижения рассматриваемой цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Создать методологию, структуру системы оперативного прогнозирования и нормирования техногенных воздействий в рамках

территориально-административных единиц.

2. Разработать классификацию техногенных воздействий на водные объекты с позиции прогнозирования их последствий на водные объекты и нормативного регламентирования.

3. Провести анализ современных методических подходов, лежащих в основе:

- нормирования техногенных воздействий на водные объекты;

- методов прогнозирования, включая оценку процессов разбавления, трансформации и миграции поллютантов;

- критериев безопасного содержания поллютантов в водных объектах.

4. Изучить особенности миграции гетерофазнонеконсервативных поллютантов, в первую очередь тяжелых металлов, на основе сочетания:

- многолетних натурных наблюдений;

- лабораторных экспериментов:

- математического моделирования;

5. Оценить масштабы и изучить особенности формирования процессов повторного загрязнения гетерофазнонеконсервативными поллютантами, установленных на основе сочетания многолетних натурных наблюдений на водотоках, подверженных особо интенсивному техногенному воздействию •

6. Построить концепции оптимального выбора моделей прогнозирования и нормирования техногенных воздействий в зависимости от:

-характера водного объекта,

-особенности техногенного воздействия и вида поллютанта, -полноты и точности задания исходной информации.

7. Разработать структуру, дать программную реализацию интегральной системы по оперативному прогнозированию и нормированию техногенных нагрузок на водные объекты в рамках территориально - административных единиц, включающей информационные базы данных по:

- гидрологическому и гидрохимическому режиму водных объектов;

- токсикологическим характеристикам поллютантов;

- технологическим характеристикам систем водоотведения,

а также пакеты моделей по прогнозированию и нормированию техногенных воздействий.

Основные положения, выносимые на защиту:

- б -

- методология построения систем оперативного прогнозирования и нормирования с учетом комплексного анализа миграции поллютантов для территориально-административных единиц;

- принципы установления уровней экологически безопасного содержания эндогенных поллютантов в естественных водных объектах;

методические особенности прогнозирования последствий, нормирования взвешенных наносов и гетероФазнонеконсервативных поллютантов с учетом их миграции в системе <вода>-<взвешенные наносы>-<донные отложения*.

Научная новизна исследования.

В диссертационной работе развивается перспективное научное направление, связанное с прогнозированием и нормированием техногенных нагрузок на водные объекты. Она является одной из первых работ, где развивается концепция комплексного нормирования.

Автором впервые предложена, обоснована и реализована Сна примере Пермской области) комплексная централизованная система нормирования и прогнозирования техногенных нагрузок на водные объекты в рамках крупных территориально- административных единиц. Она включает в себя научно- методические и организационные аспекты, информационное и программное обеспечение. Созданный программный комплекс позволяет проводить в масштабе Пермской области1

- прогнозирование зон загрязнения водных объектов* включая каскад Камского и Боткинского водохранилищ' как при различных возможных аварийных ситуациях, так и регламентном сбросе сточных вод>

- динамическое нормирование» по бассейновому принципу, всех основных декларируемых техногенных источников загрязнения

Б ходе выполненных исследований дана классификация техногенных процессов с позиций их прогнозирования и регламентации воздействия на водные объекты.

Дан детальный анализ методов описания поведения в водных объектах как консервативных, так и гетероФазнонеконсервативных поллютантов.

Предложены критерии их оптимального выбора в зависимости от:

- характера водного объекта;

- режима сброса сточных вод;

- вида поллютанта;

- размера расчетной области;

- объема и точности задания исходной информации.

Исследована миграция и предложены методы описания динамики гетлрофл^чопоконооргслтивных поллютантов в системах <вода>-<взвешенные наносы>-<донные отложения> водотоков-приемников. При этом:

были установлены аналитические зависимости между максимальной емкостью сорбции и размерами частиц;

- доказана обратная зависимость коэффициента распределения в процессе сорбции тяжелых металлов от концентрации взвешенных частиц.

На основе многолетних наблюдений на водотоках-приемниках, подверженных особо интенсивному техногенному воздействию, оценены масштабы и внутригодовое распределение интенсивности процессов повторного загрязнения.

Разработаны модели рассматриваемых процессов, позволяющие прогнозировать их интенсивность с учетом как динамики донных отложений, так и внутригодовых и междугодовых колебаний стока водотоков-приемников.

Выполнен сопоставительный анализ различных методических подходов к установлению предельно допустимых концентраций для водных обьектов. Указаны области их наиболее рационального применения.

Доказана необходимость введения и предложена методология установления для:

- поллютантов, характерных для естественного режима водных объектов, предельных экологически допустимых концентраций на основе анализа статистики их Фонового содержания;

- крупных водных объектов, наряду с традиционной системой локальных, также интегральных ограничений мощности техногенных потоков на основе сопоставления с соответствующими естественными потоками, оцениваемыми в целом на водный объект. Впервые на основе балансовых оценок на водотоках-приемниках Соликамско-Березниковского промузла и в целом Камского водохранилища оценено соотношение "декларируемых" и "скрытых" компонент в антропогенном потоке поллютантов. Установлено, что "декларируемая" составляющая, оцениваемая по материалам официальной отчетности в общем потоке поллютантов.

обусловленных процессами техногенеза, для таких ингредиентов как нефтепродукты. Фенолы, тяжелые металлы не превышает 10%.

Показана необходимость "отслеживания" всех потоков поллютантов непосредственно от "производственных контуров" до замыкавших звеньев, в качестве которых могут выступать как "человек", так и лимитирующие "гидробионты". На конкретном примере (БОС г.Перми) дан анализ потоков тяжелых металлов от сбрасываемых промстоков до человека.Установлено,что при полном использовании осадка сточных вод в качестве удобрения при выращивании сельскохозяйственной продукции, поток металлов через нее на человека более чем в 100 раз превышает интенсивность потока через гидробионты Срыбу).

На основе анализа большого объема материалов гидрохимических наблюдений на водных объектах показано, что техногенные факторы существенно усиливают ассиметрию колебаний содержания поллютантов, а под влиянием естественных факторов происходит их определенная нормализация.

Предложены новые методические подходы к:

- определению фоновых концентраций при регламентированном сбросе сточных вод;

установлению локальных величин предельно допустимых концентраций для поллютантов, характерных для рассматриваемого водного объекта в его естественном состоянии;

- нормированию сброса неконсервативных поллютантов, включая гетерофазнонеконсервативные, с отказом от так называемых минимальных лимитирующих расходов водотоков-приемников;

- расчету транспортирующих концентраций взвешенных веществ в водотоках-приемниках сточных вод.

Практическое значение работы.

Разработанная система оперативного прогнозирования последствий аварийных ситуаций и нормирования сброса сточных вод в водные объекты (КАМА) внедрена в практику оперативной работы Пермского областного комитета по охране природы Результаты исследований,полученные в ходе реализации данной комплексной работы, широко использовались при прогнозировании и нормировании воздействий предприятий угольной промышленности России, и в целом технологических комплексов Пермской области на водные объекты.

Материалы автора использовались непосредственно при:

- построении прогнозных оценок воздействия предприятий угольной части КАТЭКа, Экибастуза, Кузбасса на объекты окружающей среды;

- многовариантных прогнозах оценки последствий сброса сточных вод предприятиями ПО "Челябинскуголь" в озера;

- оценке последствий техногенного загрязнения донных отложений р.Абы;

- прогнозе последствий техногенного воздействия на водные объекты г.Соликамска. г.Березники;

- обосновании проекта Крапивинского гидроузла;

- разработке комплексного прогноза возможного влияния Пермской ГРЭС на окружающую среду.;

разработке нормативов ПДС предприятий угольной промышленности Пермской области, а также для всех водопользователей Пермской области.

Методические подходы и программные средства, использованные автором при разработке нормативов ГЩС для предприятий угольной промышленности, были закреплены в виде методических документов, согласованных в Главном управлении по охряI К; т,Д Минводхоза СССР.

Разработанные автором программы:

- предельно допустимых сбросов в водоемы {ГШР;

предельно допустимых сбросов в систему канализации населенных пунктов <КОЛЛЕКТОР>;

- компьютерной базы данных по гидрохимии "СТВОР" «выполненной на примере Пермской области5;

- по прогнозированию последствий техногенных аварий на водных объектах "АВАРИЯ", "River", а также в целом программный комплекс "КАМА"

сертифицированы межрегиональным координационным советом по компьютеризации в системе Минприроды Российской Федерации и широко используются в практической деятельности природоохранных органов.

Результаты проведенных исследований могут быть внедрены в различных направлениях:

практической работы территориальных и отраслевых природоохранных и водохозяйственных служб;

в научно-исследовательских и проектных организациях, связанных с решением вопросов охраны и рационального

- lO -

использования поверхностных водных ресурсов;

- в учебных процессах кафедры гидрологии суши и охраны природы;

- по прогнозированию последствий техногенных аварий на водных объектах.

Апробация работы.

Основные положения и материалы диссертационной работы докладывались на:

- VII Всесоюзном симпозиуме по современным проблемам прогнозирования, контроля качества воды водоемов и озонирования (Таллин, 1985);

- Пятом гидрологическом съезде (Ленинград, 1986);

_ XXIX Всесоюзном гидрологическом совещании (Ростов-на-Дону, 1987);

- Третьей Всесоюзной конференции "Динамика и термина рек, водохранилищ и окраинных морей" (Москва, 1989);

- 1 Международном симпозиуме "Проблемы токсичности и прикладной экологии" (Шрмь-Москва, 1981);

- 1 Международном симпозиуме по физической географии (Москва, 1992);

- 11 симпозиуме США-СНГ по экологии, гидрологии и гидрогеологии (г.Вашингтон, 1993);

Всероссийской конференции "География: хозяйствование, экономика, здоровье, общество (Пермь, 1993);

- Международном конгрессе "Вода: экология и технология" (Москва, 1994);

- Межотраслевом научно-техническом конгрессе "Экологическая безопасность ТЭК: проблемы и пути решения" (Пермь, 1994);

International Co-Conference Environmental Pollutions ОСЕР' 95> and Neuroimmuno Interactions and Environment (ICONE'95> <St.Pete-T-sbwg, Russia, 1995);

- Международном симпозиуме spm_95 (Москва-Пермь, 1995),

а также на отраслевых и территориальных конференциях и совещаниях по охране природа и равным природопользователям.

Результаты диссертационной работы изложены в двух монографиях, 96 статьях и тезисах докладов.

В полном объеме диссертационная работа рассматривалась на Ученом совете ИЭГМ УрО РАН, расширенном заседании кафедры гидрологии суши Пермского государственного университета.

Содержание диссертационной работы

В главе 1 дается анализ методов прогнозирования содержания поллютантов в водных объектах. Характерной особенностью решения данной задачи в практическом применении является широкий спектр различий, связанных с характером:

водных объектов - приемников сточных вод, их гидрологическим, гидрохимическим режимом, размером расчетной области, требуемой прогнозной заблаговременностью;

- источников загрязнения и режимом поступления поллютантов в водный объект;

- составом загрязняющих поллютантов;

- объемом и точностью задания исходных параметров.

Поэтому построение и реализация (с учетом ограниченности мощности имеющихся вычислительных средств) единой унифицированной модели представляется ч настоящее время не реальным. В связи с этим в работе обосновывается "пакетный" принцип организации расчетной модели с заданной структурой. Выбор конкретной оптимальной для рассматриваемой ситуации модели проводится с учетом указанных выше Формализованных критериев, табл.(1-2).

Таблица 1

Характерные масштабы, определяющие выбор модели прогнозирования содержания поллютантов в поверхностных водных объектах.

Масштабы

Их характеристика

Технологические параметры

*.Т - продолжительность прогнозируемого

периода

2 т = Г 1 <?сс«д>1 _ характерное время изменчивости • <дод 1<е*с> ¿к. ) режима сброса.

3*т<дс>п",/к«.*с><:т5а'г ~ период колебаний сбрасываемых ^ поллютантов.

_ скорость сброса сточной воды.

Продолжение таблицы 1

Масштабы Их характеристика

Гидрологические параметры 5.Т„= ьрас / - время добегания до расчетного створа.

й.т0 =["о"|{г] - характерное время колебаний расхода

д водотока-приемника.

7'Тас =/ка(т)с1т - характерное время автокорреляции

° естественного стока.

] - характерный масштаб изменения

расхода водотока-приемника

9. L

,= [4~55г] ~ характерный масштаб изменения

скорости потока

Гидравлические параметры.

1°.т, = ьс/кхх - характерное время выравнивания

содержания поллютантов в целом по водоему вследствие диффузионных процессов.

11.ьстрвКотр< ^сб^гт? ~ определяет размеры зоны струйного

у перемешивания.

12.т Х"Г 1 - определяют временные и пространствен-д а I э а ; ные масштабы зоны диффузионного

!-дх = £ В2УКХ ,х ^ выравнивания концентрации поллютантов

.2

•к 1

*

г т Г И УК . 1

Д*а [ хзхэ J

13,Т = <-к/ V = р~ - характерное время снижения концентраций вследствие процессов самоочищения.

L

с 0(c*q)y [ Q*dx J

fl jes - s >| "^„""ё2^ ——1E_- характерное время изменения мощности » донных отложений.

*3Л ■ Г р ) v0 - характерный масштаб изменений концен-взв трации взвешенного вещества.

Таблица 2

Анализ временных и пространственных масштабов, определяющих выбор оптимальных моделей прогнозирования содержания консервативных поллютантов в водном объекте.

Соотношения

Приемлемые допущения

1 Т / Т «1.

г/ Ске

2.Т / Т « 1

• я' од *

3.Ь / Ь « 1.

* я' а

4Х

5.Т,

« 1.

ТСсд)с

6.Т,

я « 1,

■(до)

7Л,

ИИ «1.

Исходные уравнения могут быть детерминированы, стохастичность стока не учитывается.

Модели без учета гидрологических характеристик

Модели могут не учитывать на расчетном участке изменения расхода по длине водотока-приемника.

Модели могут не учитывать на расчетном участке изменения гидравлических характеристик по длине потока.

Допустимы детерминированные потоки по заданным параметрам сброса.

Модели со стационарным режимом сброса сточных вод.

Допустимы двухмерные модели.

8Л 9.Т,

YV « 1 . Я

л « 1.

Допустимы одномерные модели.

Дзпустимы "ноль"-мерные модели.

ЮЛ,

Модель может интегрально описывать начальное стр « 1. струйное разбавление.

11.»

КС « 1,

Процессы самоочищения не играют существенной роли.

12, т

з » 1,

Поллютанты в виде взвешенных частиц могут рассматриваться как консервативные субстанции.

V

Центральное место в к-моделях турбулентной диффузии без гидродинамического блока занимает адекватное задание коэффициента турбулентной диффузии с целью проведения

сопоставительного анализа полуэмпирических моделей описания коэффициентов вертикальной и поперечной диффузии, продольной "Тейлоровской" дисперсии. Показано, что если в диапазоне 20 ^ С í 60 по данным различных авторов безразмерный коэффициент вертикальной диффузии варьирует в пределах 0.63s(-^5h-]s0.15,to поперечной при в/н=го-о.о7£[-íkjg-]<о.з8,

при b/h=ioo _ j<7.08> а продольной дисперсии при

В/Н=20 _ 5.9Э£ К < ЗйЗ, при ВХН=100 - 15.17S S000, ЧТ0

достаточно наглядно свидетельствует о сложном многовекторном процессе формирования продольной дисперсии.

В рамках 3-мерной стационарной к-модели турбулентной диффузии проанализированы методы расчетов, предложенные специалистами ТПИ (Х.А.Вельнер, П.П.Пааль), УРАЛНИИВХа (В.В.Мороков, И.С.Шахов, А.М.Черняев), а также численные решения стационарного уравнения турбулентной диффузии с переменными по сечению потока значениями поля скорости и коэффициентов турбулентной диффузии:

п г, - о «

гдй п„ оператор:

-Sr irK*-)*"« ">

с граничными условиями и отражениями на стенках потока -

к -§£-1 -о, У* dY |у=0

v=a

для дна -

к *ZL ш А*сл

zz Ю ' *

|z=0

для поверхности потока -

&Z I

|и=н

Для консервативных веществ, не взаимодействующих с донными отложениями, ^=0.

С целью установления диапазонов оптимального применения было проведено детальное натурное исследование полей загрязнения, создаваемое сбросом мелкодисперсной угольной взвеси на реках Уса.Ольжерас.Кейзак.Распределение поллютантов в данных водотоках фиксировалось на основе натурных исследований с инструментальными замерами с использованием автоматического мутномера ФАВ-1. Для верификации моделей

разбавления использовались также материалы аэрофотосъемок.

При ДОПУСТИМОСТИ принятия У(х,Ь)_сопвЪ4Н(хЛ)-сопвЬ,¥(х,1.)_ сопзЪ4к(х,ъ)_сопяъ1ДЛЯ одномерного уравнения (1) целесообразно использовать аналитические решения. Так применение численных моделей для водотоков с достаточно однородным по сечению русла распределением скорости потока и детальным заданием морфометрии расчетного участка вряд ли может существенно повысить точность расчета ввиду очень значительной погрешности в оценке коэффициентов продольной дисперсии.

Для достаточно крупных водных объектов нестационарные модели прогнозирования в двухмерном приближении целесообразно строить на основе теории мелкой воды. В работе для этих целей использовалась модель, предложенная С.А.Иваненко (1991).

При решении практических задач с использованием криволинейных сеток достаточно часто возникает проблема расчета распределения поллютантов на начальном участке подсеточной области. С этой целью при решении задачи прогноза возможных зон теплового загрязнения Камского водохранилища в связи с увеличением мощности Пермской ГРЭС, для описания распределения температуры воды на начальном участке подсеточной области использовались модели Рейхардта.

Если расчетная область полностью охватывает акваторию водного объекта и требуемый прогнозируемый период значительно больше характерного времени выравнивания содержания поллютантов по акватории, то целесообразно использовать ноль-мерные модели, рассматривая временную динамику осредненного содержания поллютантов по объему водного объекта. При этом необходимо учитывать возможное изменение объема водотока. Эта задача достаточно характерна для прогнозирования последствий сброса сточных вод в относительно небольшие замкнутые озера.

На динамическом уровне эта задача решалась Я.Ф.Плешковым и А.В.Караушевым. Естественный приток воды к водоему соответственно и баланс водотока характеризуется существенной междугодичной изменчивостью и может существенно сказаться на динамике прогнозируемых показателей. Как правило, характерное время автокорреляционных процессов, связанных с междугодичной динамикой видимого испарения и стока с площади водосбора, значительно меньше требуемого прогнозного периода, поэтому в

прогнозных моделях эти процессы следует рассматривать как случайные.

В общем виде динамико-стохастические модели, предложенные для решения данных задач имеют следующий вид:

- -c,CC>é*p.V*[l - fO))+ £cg, (2)

- - K(o,w>cw + Seg, (3)

где w _ объем рассматриваемого водоема;

е - видимое испарение с поверхности водоема,

5-5-5, где «-норма осадков, норма испарения;

а(с)-параметр, характеризующий снижение испарения с ростом концентрации солей в водоеме;

G - осредаенная по объему водного объекта концентрация рассматриваемого поллютанта; -суммарный сброс поллютантов вследствие антропогенных Факторов;

К - коэффициент, характеризующий интенсивность перехода солей из растворимых форм в нерастворимые.

На основе данной системы уравнений построена модель прогнозирования изменения уровенного режима и содержания поллютантов в относительно небольших водоемах под влиянием техногенных факторов. Модель реализована в виде компьютерной программы LAKE для ms dos. На основе ее проведены прогнозы изменения уровня и солености озер Южного Урала (оз.Курланды), а также Центрального Казахстана.

В заключении главы 1 дается классификация источников загрязнения поверхностных водных объектов исходя из требования прогнозирования и нормирования техногенных нагрузок. Обосновывается необходимость выделения наряду с "декларируемыми", Фиксируемыми в материалах официальной отчетности источниками загрязнения, также "скрытых" и потенциальных (реализуемых при различных аварийных ситуациях).

Классификация "декларируемых" источников проводится исходя из особенностей описания процессов разбавления и миграции поллютантов в водных объектах.

Анализ аварий, связанных с загрязнением поверхностных водных объектов на территории Пермской области, показал, что вероятность аварий обычно связана с ее размерами и хорошо

описывается степенной зависимостью:

Р<Е> " (-ё£Г]". (4)

где Е - общее количество поступивших в результате аварий загрязняющих веществ в водный объект, в тоннах условного поллютанта: м а »а

Е = I ТШ^ • А - С5)

где суммарный сброс *-того поллютанта;

N - общее количество Фиксируемых веществ.

при е » 1, е - зле. « ~ 1.66.

Глава 2 посвящена анализу динамики взвешенных наносов и донных отложений для решения задач прогнозирования последствий техногенного воздействия, связанного со сбросом поллютантов в водный объект.

Разработка объективных методов описания динамики сбрасываемых поллютантов в русловых потоках имеет принципиальное значение для охраны поверхностных водных объектов, так как они являются не только наиболее распространенным компонентом техногенного загрязнения, но и вследствие сорбционных процессов выступают активным компонентом миграции, накопления и перераспределения гетерофазнонеконсервативных поллютантов.

Прогнозирование распространения данного вида поллютантов в русловых потоках имеет ряд существенных специфических особенностей. Важную роль при решении этих задач играет задание параметра, характеризующего поведение диффундирующих частиц в придонном слое, /4х). Параметр ^О) должен учитывать как интенсивность поступления частиц в придонную область вследствие турбулентных пульсаций, так и вероятность взмыва попавших на дно частиц. На основе анализа поведения в придонном слое для параметра /*(*) было получено следующее соотношение:

р = _ р], (6)

где динамическая скорость потока;

* - гидравлическая крупность частиц;

Р[ вероятность взмыва частиц, попавших на дно;

* ~ 0.41.

В данном разделе для описания р [ ■ j получены соответствующие формулы.

Другой важнейшей специфической характеристикой взвешенных веществ является их транспортирующая способность. В работе проанализированы различные методические подходы к расчету транспортирующей способности в практике прикладных исследований. Предложена и апробирована на достаточно большом объеме натурных данных новая модель для описания транспортирующей способности взвешенных частиц:

STP= 4* 10 * [j*|о.13«с + 2.7] т/п. (7)

При задании параметров ft и STP распространение техногенных взвешенных наносов в рамках модели турбулентной диффузии описывается следующим образом:

Vs + w(s - STP) = о. (8)

Граничные условия следующие: К -Ц- + w*si =

Лг |z=e> ' •

Соответственно для одномерного стационарного случая имеем: КШ- Ц = о ИЛИ S=(Sn_ST).exp[-/3*x) + 5тр (9)

Z=B

Динамика взвешенных наносов теснейшим образом связана с динамикой донных отложений. При этом донные отложения часто рассматриваются как "геохимическая" память водного объекта. Поэтому, наряду с описанием взвешенных наносов, при анализе процессов миграции и накопления поллютантов, принципиальное значение имеет исследование динамики донных отложений.

В работе проанализированы основные факторы, определяющие динамику донных отложений, оценены их временные масштабы. Если расстояние до расчетного створа LR» н( ) ^10)

и для проведения расчетов погрешность н* ( ) не играет принципиальной роли, то описание динамики донных отложений достаточно адекватно может быть выполнено на основе следующих

диффузионных моделей:

- „г К. *3/2*11Уг* Гу*н1

о, в--«-■> I. I . С11)

Ох р*( 1-е)

Граничные условия определяются характером водного объекта и особенностью рассматриваемой задачи.

Анализу данной модели динамики донных отложений, верификации аналитического решения уравнения (11) для различных граничных условий посвящено в последние 10-15 лет значительное количество исследований.

Если по условиям поставленной задачи неравенство (10) не выполняется, то в модели динамики донных отложений необходимо включать также модели, описывающие динамику взвешенных наносов. В этом случае расчетные модели включают в себя следующую систему уравнений:

дх р*Х1+й) 1_ XX | о ^ ¿X |

V

(12)

*.ьгг

&Х. Ц II | о ^ дх | J •

Такая система уравнений решается численным методом и реализуется в виде компьютерной программы для среды 003. Применимость модели оценивается по результатам длительных наблюдений на водотоках-приемниках Кузбасса (р.Аба, Тейба), принимающих значительные объемы сброса шахтных вод, которые характеризуются высоким содержанием угольной взвеси.

Разработка и освоение моделей динамики взвешенных наносов позволяют приступить к построению моделей миграции гетерофазнонеконсервативных поллютантов.

В главе 3 рассматриваются особенности миграции гетерофазнонеконсервативных поллютантов. Данные ингредиенты представлены в первую очередь тяжелыми металлами, активно мигрирующими в системе <вода>-<взвешенные наносы> - <донные отложания>. Накапливаясь при одних гидрологических и гидрохимических режимах водотока-приемника, они могут создавать опасность повторного загрязнения при других. В то же время специфика миграции требует и серьезной корректировки

методов их нормирования.

В работе исследования данной проблемы строились на сочетании натурных исследований, лабораторных экспериментов и методов математического моделирования. Натурные исследования проводились на малых водотоках-приемниках Киселевско-Прокопьевского и Березниковско-Соликамского, а также Кизеловского промузлов. Выполненные исследования подтвердили существенную роль сорбционных процессов во внутригодовом перераспределении выноса этих поллютантов (табл.3).

Таблица 3

Внутригодовое распределение выноса металлов реки Толыч в Камское водохранилище.

Металлы Сум.годовое техногенное поступление метал.,т^г. Вынос в меженный период, т^г. Доля выноса в межен.период от общего поступления, % Доля выноса в паводок, *

Хром общ. 9.9 1.2 11.9 88.1

Медь 10.0 0.7 6.9 93.1

Титан 42.2 0.3 0.8 99.2

Натурные исследования позволили не только оценить масштабы рассматдо ь<» .-ммл и^цеи^уе, выделить основные механизмы миграции, шпуийго необходимый материал для последующей верификации моделей, но также и задать направление циклу лабораторных исследований. Данные параметры имеют существенное различие как при построении моделей миграции, так и при оценке масштабов повторного загрязнения.

В работе было показано, что емкость поглощения не зависит от состава поллютантов. Получена зависимость емкости поглощения от размера в=/(<0 для кварцевых и угольных частиц. Для угольных частиц получена следующая эмпирическая зависимость:

в - 278-1451в(ч)+18.9*(^(«)г), [ ^¿о"6 ] (13)

кварцевых, соответственно:

о - 19.г-9.65е(<0+1.57*[1б(*)г], [ "100^ ] (14) Как видно из соотношений (13,14), сорбционная емкость угля

на порядок выше, чем кварцевого песка при одном и том же диаметре частиц.

Одной из важнейших характеристик сорбционных процессов является изотерма сорбции, описывающая в равновесном режиме зависимость содержания поллютанта от сорбента в растворе, т.е.

а - Г(с). (15)

При низких концентрациях сорбируемых веществ зависимость (15) линейна и коэффициент Г получил название коэффициента Генри, При высоких значениях а заметная роль принадлежит эффекту насыщения. Для описания этого режима часто рекомендуется использование изотермы Легмюра, т.е.

а = Г«С . (l+i-*C) •

где г = Г'«3;

0 - максимальная сорбционная емкость твердой частицы.

Оценка коэффициента Г выполнялась на основе статистических экспериментов. Проведенные исследования показали, что значение этого параметра зависит не только от вида сорбента и сорбата, но и от концентрации взвешенных частиц. Полученная зависимость параметра Г для сорбции меди на угольных частицах: значение Г изменяется в весьма широком интервале - от Ir'n до 250г^л, при этом, с уменьшением концентрации взвешенных частиц величина Г возрастает. Эти результаты достаточно хорошо согласуются с материалами независимых исследований [°'Соппог, 19883.

Рассматриваемый параметр Г имеет принципиальное значение для оценки интенсивности сорбционных процессов, так как в режиме сорбционного равновесия имеем:

°в Г 1 1

(16)

В общем виде взаимосвязь основных Факторов, определяющих миграцию гетерофазнонеконсервативных поллютантов, представлена на рис.(1).

Исходя из общей схемы миграции гетерофазнонеконсервативных поллютантов, имеем:

Рис. 1 Общая етр1итрная схем г миграции гетерофазно-неконссрвэтивных паипюпнтов в водных объектах.

1=1)=1 ' О ч

ЗС

+Р Сс^Ъ),

тг -^(с'ьпор) ' Ль>Ьк« 11 -

в X -О д 1 х -Н

2 2

ССЪ,х> I - С <5 Гх -х 1 <5 Гх -х | 6 \кп -х I К-0 I. О I 2>° I э'° э)

3 г ...г. да « Гп За СгЪу^ Г. . "»

<»> „ й>_,_,лс аь 1

_шр£ -Vv —шр-V у . ь _пае- U

L 1пор «V. ¿¿JV. пори »V

jjbtr-A^Cr.todt-j _ R

h

д т.

О R

b<R>. ЬС1-Я> rb.<l0rad _D A" <*,«■>

ч2 1 ОТ. T "

R J ftz

о

ib <r>

dz

>0

(19)

„ ft. <l-£> , , № <7P t ---

it " d

' f ^ db |

-f-r'^bJ-b ], D nop 1 -/9 .

L nopJ 22 _ \ Д

z ly -0

ft (c~b J

д nop

<»C 2

« dY

г

ПОР

■ о.

Y - H

2 VlWM

(20)

ГДе:*1,2,э>У1,2,э- оси координат соответственно,для водотока и донных отложений; cct,x> _ концентрация загрязняющего ингредиента в воде

водотока-приемника; a<t,jo _ осредненная концентрация загрязняющих веществ на

взвешенных частицах; а^.г^эО-локальная концентрация загрязняющих веществ

на ьй1«!1№:.ч...1 • .t.inu«dx; bct,,yi>,bEit,y.io_ соответственно, осредненные и локальные

концентрации загрязняющих ингредиентов на донных отложениях; спорсъ,концентрации загрязняющих ингредиентов в

поровых растворах; VXI- распределение скоростей течения в водотоке-приемнике; KtJ- коэффициент турбулентной диффузии в русловом потоке; vyl- распределение скорости течения в поровых растворах; ви- коэффициент дисперсии поровых растворов; втвзв>вт>д-коэФФициенты диффузии загрязняющих ингредиентов соответственно для взвешенных наносов и донных отложений;

р<с,хЭ»р<а>-коэффициенты неконсервативности загрязняющих

ингредиентов соответственно в жидкой и твердой фазе; нх- характерная глубина водотока-приемника; * - мощность донных отложений;

/1<к>~ Функция плотности распределения взвешенных частиц; /а<ю_ функция плотности распределения частиц донных отложений;

з«,,х.>_ концентрация взвешенных веществ; Р - коэффициент скорости массопереноса. Решение системы уравнений <17> в общем виде - весьма сложная задача. На практике, как правило, требуется решение частных задач. Поэтому для построения достаточно объективных аппроксимационных моделей,ориентированных на анализ конкретных частных задач, необходимо оценить основные факторы, определяющие динамику С,а,ь при различных постановках задачи.

При этом, кроме технологических, гидрологических и гидрохимических параметров, определяющих распространение консервативных поллютантов,необходимо учитывать дополнительные сорбционные Факторы, определяющие динамику гетерофазно-неконсервативных поллютантов. Характерные масштабы этих параметров даются в табл.5

Таблица 5

Характерные масштабы дополнительных процессов, определяющие миграцию гетерофазнонеконсервативных поллютантов в русловых потоках.

Масштабы

Их характеристика

Сорбционные параметры

«сор-внеш

характерное время "внешней" диффузии на взвешенных частицах, а=Г<с»*->=Г»С

т

> I »тэФЗ

Характеризует интенсивность достижения равновесного насыщения загрязняющих ингредиентов на взвешенных частицах в режимах "внешней" и "внутренней"диффузии.

"асор-внутр 1Г *тэФЗ

характерное время "внутренней" диффузии на взвешенных частицах.

Продолжение таблицы 5

Масштабы

Их характеристика

2 Т - ГгН /р ]_

*сор-дон. I т взвЛ

характерное время"внешней диффузии на донных отложениях.

т -(к* /о 1

асор-дон. I Д 1T•ЭфJ

характерное время"внутренней" диффузии на донных отложениях

Характеризует интенсивность достижения равновесного насыщения загрязняющих ингредиентов на донных отложениях в режимах "внешней"и"внутренней"диффузии

З.т

*сор

за-взв_

ар

Ь -ТУ

*сор 1 СР

характерное время изменения концентрации загрязняющих ингредиентов в воде водотока-приемника вследствие сорбции на взвешенных частицах, и на донных отложениях.

Характеризует интенсивность достижения равновесного режима концентрации загрязняющих ингредиентов в воде вследствие сорбционного обмена на взвешенных частицах и донных отложениях.

гсор

.дф-дон

<я р

-Г)Г

Ь -т V 2сор 2сор ср

Фильтрационные параметры

4 Т,

вфильтр

Л -

I * пор-Эф^

характерное время выравнивания концентрации порового раствора вследствие диффузионных процессов, н

Тфил™

— "характерное фил-1

время выравнивания концентрации порового раствора вследствие фильтрационных процессов.

1фил ~харакТ0Рное время,в течение

которого поровый раствор может оказывать влияние на концентрацию загрязняющих ингредиентов в водотоке.

На основе введения параметров рассматривается построение специфических критериев, выбор оптимальной модели миграциии гетерофазнонеконсервативных поллютантов. Дополнительные

критерии даются в табл.6.

Таблица 6

Дополнительные критерии к выбору оптимальных моделей миграции гетерофазнонеконсервативных поллютантов.

Соотношения

Приемлемые допущения

1 т / т « 1,

сорвз' н »

2 Т / Т « 1.

сордоп' » *

3 т / т «1,

п доп

4 т /г «1

* 1сор 2рас

5 т /т »1

* 4£ор' 2рас

вклад взвешенных наносов в миграцию гетерофазнонеконсервативных поллютантов не существенен.

влияние донных отложений не существенно.

модель может включать динамику донных отложений

модели с лимитирующим влиянием "внешней" диффузии.

модели с лимитирующим влиянием "внутренней" диффузии.

В главе 4 дается анализ современных принципов нормирования содержания загрязняющих веществ в водных объектах. Как известно. в основе современной системы нормирования техногенных нагрузок на водных объектах лежит принятый из экспериментальной токсикологии принцип пороговое™ в реагировании биотических систем на внешние раздражители. На основе данного принципа разработаны системы ПДК для различных видов водопользования.

Для оценки совместного действия токсикантов в этих системах используется принцип аддитивного сложения, т.е. допустимое содержание поллютантов в смеси должно удовлетворять неравенству: ^

^иУ0^)41' (21)

Широкое практическое использование данных нормативных критериев показало, что достаточно часто встречаются ситуации, при которых для удовлетворения неравенства (21) необходимо, чтобы содержание поллютантов в сбрасываемых стоках было существенно меньше, чем в естественном состоянии водотоков-приемников. В то же время для других водных объектов

формальное выполнение неравенства не исключает существенной деградации рассматриваемых гидробиоценозов.

Такая некорректность действующих систем нормирования обуславливается следующими факторами:

- пороговость, характерная далеко не для всех токсикантов, для ряда веществ низкие концентрации вызывают более значительный эффект у тест-систем, чем более высокие концентрации;

- токсичность токсикантов обуславливается не только их концентрацией, но и существенно зависит от содержания сопутствующих ингредиентов, при этом число возможных комбинаторных сочетаний очень быстро растет как 14 ~ 2<к1>.

В настоящее время не выработано критериев подобия для перехода от тест-систем к реальным водным объектам. В связи с этим предлагается введение двух систем ограничений:

- локальные, нормирующие содержание поллютантов в конкретных створах водных объектов и соответственно в конкретных водовыпусках;

- интегральные, характеризующие допустимую интенсивность потоков поллютантов в целом на водные объекты или на конечное звено миграции поллютантов - человека.

Локальные ограничения основываются на системах ЩК, при этом для эндогенных ингредиентов,характерных для естественного режима водотока-приемника, данные системы строятся на основе статистики естественных колебаний исследуемых поллютантов.

В главе также обсуждаются принципы построения интегральных ограничений на макро-, мезо- и микроуровне. Обосновывается комплексный подход к нормированию воздействия технологических комплексов на окружающую среду, включающий:

- объективный учет и отслеживание всех потоков поллютантов, генерируемых от добычи сырья до утилизации отработанных продуктов производства;

анализ всех фаз функционирования: строительства, регламентных работ, демонтажа, коренной реконструкции.

На уровне отдельного водного объекта (микроуровень) интегральные ограничения регламентируют обобщенные показатели интенсивности техногенных потоков в целом на охраняемом водном объекте;

N N г, . .

к -Л. т.. I -Х.т,. п -Х.т Л

к=1 1=» п=1 J

N . N

гдег^Д,^,- соответственно число декларируемых» скрытых и потенциально опасных источников; ^.^-соответственно интенсивность декларируемых, скрытых, потенциальных источников *-того поллютанта; -вероятность аварии на "-ном объекте, приводящая к интенсивности П„ поступления *-того поллютанта в водный объект;

коэффициент неконсервативности 4-того поллютанта; тк Л. ^-соответственно характерное время пребывания поллютанта в водном объекте от Мгого, 1-того, п-ного источника.

При этом ограничения должны строиться на вероятности принципа на основе сопоставления естественных и техногенных потоков поллютантов:

вер[(^ ге) > ц * рд где I1—^д! - принимаемая надежность функционирования рассматриваемой экосистемы; у,.:- интенсивность естественного потока 1-того

Поэтому принципиальное значение имеет сопоставительный анализ интенсивности естественных и антропогенных потоков поллютантов, воздействующих в целом на водный объект- Такая оценка была выполнена для Камского водохранилища.

В табл.7 представлены соотношения различных потоков поллютантов определяющих в значительной мере загрязненность данного водохранилища. В работе дается анализ этих потоков, расматриваются причины очень низкой доли по ряду поллютантов декларируемой составляющей-

Проблема комплексного анализа наиболее остро стоит при оценке эффективности водоохранных мероприятий, так как они в конечном итоге сводятся к пространственному, временному и межфазному перераспределению потоков консервативных поллютантов или переводу неконсервативных соединений из более токсичных форм в менее токсичные. Для объективной оценки необходим полный анализ всех потоков поллютантов, поступающих в конечное охраняемое звено. При энвайронментолиском подходе

Таблица 7

Соотношение интенсивности некоторых потоков поллютантов в Камском водохранилище.

ПРИВНОС вынос Аккумуляция,разложение

Поллютанты Суммарный, Естественный поток * Антропогенный поток через и вклад др.с закторов **

в нг/ м^'сек в нг/ MJ*ceK в % суммарн. в нг/ м""сек в т.ч. деклар. КамГЭС, в нг/ м !*сек в % суммарн.

поступления поток, % в г/сек поступления

Минерализация 50092 36580 73 13512 43 449632 84441 26

Хлориды 9620 1955 21 7665 41 102695 7686 13

Нефтепродукты 163 67 42 96 1 550 752 72

Фенолы 1 1 65 1 10 4 4 67

Железо 523 372 71 151 86 1432 2588 78

Цинк 8 3 41 5 5 25 37 74

Медь 3 2 61 1 4 9 16 78

(*) - в качестве естественного привноса принимается интегральный вынос с водосборной площади без учета техногенных факторов

(**)- в первую очередь разгрузка подземных вод в ложе водохранилища, вымыв поллютантов при эрозии берегов

таким конечным звеном миграции поллютактов выступает человек.

В диссертации на конкретном примере работы биологических очистных сооружений г.Перми оценено соотношение потоков тяжелых металлов, способных поступить в человека. Показано, что интенсивность их потока по цепочке <сточные воды>-<осадок сточных вод>-<удобрение сельскохозяйственных культур>-<сельскохозяйственная культура*- <человек> характеризуется на два-три порядка выше, чем интенсивность поступления при заборе воды для питьевых целей и потреблении рыбопродукции из Боткинского водохранилища.

Б главе 5 рассматриваются прикладные аспекты организации и функционирования системы оперативного прогнозирования последствий и нормирования сброса сточных вод в масштабах территориально-административных единиц на примере Пермской области.

Показано, что ведомственная организация расчетов нормативов предельно допустимых сбросов СПДС) без учета воздействия всех водопользователей, функционирующих на данном водном объекте, может давать существенно искаженные результаты.

Наиболее оптимальной схемой,с учетом современной структуры организации управления природоохранной деятельности, является централизованная организация расчетов в рамках территориально-административных единиц.

Построены критерии допустимых расчетов нормативов по отдельным водовыпускам.

Рассматривается схема расчетов НДС, учитывающих системы локальных и интегральных ограничений, обеспечивающая объективное их установление в рассматриваемых территориальных масштабах.

Рассматриваются особенности задания фоновых концентраций поллютантов, отмечается существенное противоречие в трактовке их в различных действующих нормативных и методических документах. Так, во "Временных методических рекомендациях..." (1983г,) в качестве фоновой принимается максимальная концентрация с повторяемостью в то же время, в действующих "Правилах охраны поверхностных вод..." предлагается, если естественное фоновое содержание поллютанта превышает величину

его то в качестве нормативного необходимо принимать

фоновые значения. Таким образом, при формальной реализации этих рекомендаций содержание нормируемых поллютантов в результате техногенных воздействий возрастает до уровня их максимальной фоновой концентрации с повторяемостью 5%. Учитывая существенную вариационность фоновых концентраций, данный подход может оказать существенно негативное влияние на водный объект. В работе предлагаются альтернативные подходы к установлению фоновых концентраций, снимающих в значительной мере эти противоречия.

Анализируются действующие методические подходы к установлению нормативов сброса для такого наиболее распространенного загрязняющего ингредиента как взвешенные вещества. Показано, что действующие системы построения нормативов по превышению над их фоновым содержанием могут применяться только при идентичности состава сбрасываемых и переносимых в естественном состоянии наносов. В противном случае необходимо учитывать, что сбрасываемые техногенные взвеси могут выступать как активный канал поступления в водный объект гетерофазнонеконсервативных поллютантов - источников загрязнения донных отложений. В главе также обосновывается отказ от использования при нормировании сброса неконсервативных поллютантов так называемых минимальных нормативных лимитирующих расходов.

В общем случае, в основе современной системы регламентирования сброса сточных вод в водные объекты лежит следующий постулат. Если при 0=0р на расстоянии ьр от источника загрязнения в водотоке-приемнике выполняется неравенство (21) для ссб-сопзЪ и есб"сопггЪ ^где % ~ минимальный нормативный расход водотока-приемника, обеспечивающий с заданной надежностью выполнение данного неравенства, тогда при всех и ь-ьр будет также

выполняться данное неравенство.

В работе показано, что данное утверждение в строгой постановке справедливо только для пассивных и консервативных поллютантов. Если поллютанты являются неконсервативными или гетерофазнонеконсервативными, то расход водотока-приемника, при котором наблюдается максимальная концентрация поллютантов,

будет определяться свойствами самих поллютантов. Поэтому при нормировании данных ингредиентов необходимо отказаться от априорно установленных минимальных нормативных расходов и проводить регламентацию из непосредственных условий выполнения неравенства: ,

где /С.) - плотность распределения показателя ^ [%/°пдкч): р - априорно задаваемая надежность функционирования

системы водоотведения. В работе получены в явном виде аналитические зависимости для оценки <гСг№м • при которых будет наблюдаться на заданном расстоянии и е^ - максимальные концентрации

неконсервативных поллютантов.

Как методические подходы, так и модели прогнозирования последствий, нормирования техногенных нагрузок на водные объекты не могут иметь существенного практического значения без необходимого организационного оформления:

- создания эффективной программной реализации;

- достаточного информационного обеспечения.

В данном разделе дается описание разработанного под руководством автора программного комплекса "КАМА", позволяющего решать поставленные задачи в масштабах Пермской области. Он включает в себя:

- пакет программ по расчету процессов разбавления и миграции поллютантов в водных объектах;

- нормативы ГЩС;

информационные базы данных по гидрологическому и гидрохимическому режиму и морфометрическим характеристикам водотоков-приемников;

- технологические•характеристики систем водоотведения объектов водопользования.

Выбор оптимальных моделей при прогнозировании последствий аварии определяется:

- характером водного объекта;

- режимом сброса;

- составом поллютантов;

- объемом и точностью задания исходной гидрологической и гидрохимической информации.

Базы данных по гидрологическому режиму водотоков-приемников включают в себя измеренные и нормативные гидрологические характеристики, требуемые для проведения расчетов по прогнозированию и нормированию техногенных нагрузок по створам.

Базы данных по гидрохимическому режиму включают в себя измеренные ежемесячные характеристики качества воды поверхностных водных объектов области по 28 показателям за период 1974-1993г.для 58 створов.

Технологические характеристики систем водоотведения включают объемы и состав отводимых стоков, наименование водного объекта - приемника сточных вод, перечень водовыпусков с указанием точек сброса по 163 объектам.

Разработанная система "КАМА" дает возможность проводить прогнозирование зон загрязнения водных объектов создаваемых в результате как различных аварийных ситуаций, так и регламентных сбросов сточных вод- При этом выбор источника загрязнения может проводиться как по проблемным предприятиям Срис.2а), так и отдельным участкам каскада водохранилищ или других водных объектов Пермской области <рис.2б>. Внешний вид рабочих экранов при прогнозировании последствий различных аварийных ситуаций на водные объекты области дается на рис.2а, 26-

Данный программный комплекс позволяет не только оперативно прогнозировать распространение зон загрязнения при различных аварийных ситуациях, но и осуществлять динамическое нормирование сброса сточных вод, что очень важно для работы предприятий в условиях экономической нестабильности.

В главе рассмотрены структура и организация внедренной в Пермской области данной системы динамического нормирования.

Основные результаты работы.

1.Разработана методология и структура системы оперативного прогнозирования и нормирования техногенных воздействий в рамках территориально-административных единиц.

2.Дана классификация техногенных воздействий на водные объекты с позиций прогнозирования их последствий на водные объекты и нормативного регламентирования.

3.Проведен анализ современных методических подходов, лежащих

. гагадЛЕпнмЕ -лгам'штия''

Пл»1иск "иралллиаз"

Вишерсхий ЦБЗ

ПО "Соликамскбумлром"

СКРЫ 1

СКРУ г

СКРЫ 3

Магниевый завод

АО "Бератон" выл. в р.Толыч

АО "Бератон" вып. в р.Ленва

ЛО "АВИСЖГ'-титано-магниевый

ПО "Соде"

ПО "Азот"

БКРЫ 1

БКРУ 2

БКРУ 3

БКРУ 4

тэц - г

ТЭЦ 4/10

Яйвинскан ГРЭС - 16 ЯйвинскиА ДСК

Гу бакинский биохимический зав Гцбахимский коксохимический э

Картосхема Камского яоддхраичпнца

крСвЛИММСК

илнл

Рассматриваемые цчаспиГ

р.Кама в районе г.Соликамск р.Кама в р-не с.Пысхор р.Кама в районе г.Березники р.Кама с.Таман - д.Городице р.Кама - р.Иньва - р.Косьва р.Кама с.Слыдка - г.Чермоз р.Кама в районе г.Добрянка р.Кама ниже г.Дрбрянка г.Пермь (в.б.Камской ГЭС) Чцсовской плес Камского вхр. р.Чусован в р-не п.Ветляны р.Чцсовая в р-не В.Городков Сылвенсхий плес Камского вхр. р.Сылва р.Сылва /1. р.Сылва /3

Б

Рис. 2 Внешний вид рабочих экранов при прогнозировании последствий различных аварийных ситуаций на водных объектах: А-режим выбора проблемного предприятия;

Б-режим выбора проблемного участка водного объекта (Камское водохранилище).

в основе:

- методов прогнозирования, включая оценку процессов разбавления, трансформации и миграции поллютантов:

- нормирования техногенных воздействий на водные объекты;

- критериев безопасного содержания поллютантов в водных объектах.

4.Изучена особенность миграции гетерофазнонеконсервативных поллютантов, в первую очередь тяжелых металлов на основе сочетания:

- многолетних натурных наблюдений;

- лабораторных экспериментов;

- математического моделирования;

5.Оценены масштабы и изучены особенности формирования процессов повторного загрязнения гетероФазно-

неконсервативными поллютантами, установленными на основе сочетания многолетних натурных наблюдений на водотоках, подверженных особо интенсивному техногенному воздействию:

- р.Аба <Южный Кузбасс*

- р.Вильва «Западный Урал>,

- малых водотоков, расположенных на территории г.г.Соликамск, Березники «р.Черная,р.Усолка,р.Поповка,р.Толыч.р.Зырянка*.

6. Построены концепции оптимального выбора моделей прогнозирования и нормирования техногенных воздействий в зависимости от:

-характера водного объекта,

-особенности техногенного воздействия и вида поллютанта, -полноты и точности задания исходной информации.

7,Разработана структура и дана программная реализация интегральной системы по оперативному прогнозированию и нормированию техногенных нагрузок на водные объекты в рамках территориально-административных единиц, включающие информационные базы данных по=

-гидрологическому и гидрохимическому режиму водных объектов; -токсикологическому эффекту поллютантов; -технологическому характеру систем водоотведения; -типовым схемам водных сооружений;

-пакет моделей по прогнозированию и нормированию техногенных нагрузок.

Выводы

1.Разработанная в диссертации методология построения системы оперативного прогнозирования и нормирования техногенных нагрузок в рамках территориально- административных единиц состоит из следующих компонентов:

- информационного;

- аналитическо-нормативного;

- организационного.

Она предлагает:

- учет не только "декларируемых" и потенциальных, реализуемых при различных аварийных ситуациях источников загрязнения, но также и "скрытых".оцениваемых на основе косвенных показателей;

- отслеживание потоков поллютантов по всей цепочке от технологических комплексов до "биоты" и человека, с учетом их возможного накопления в отдельных звеньях системы;

- введение наряду с системой "традиционных" локальных также интегральных ограничений интенсивности потоков поллютантов в целом на водный объект и установление этих ограничений исходя из региональных особенностей рассматриваемых водных объектов;

- построение критериев экологически безопасного содержание токсикантов на вероятностном уровне;

- учитывая сложный стохастический характер колебаний основных абиотических факторов, определяющих качество воды в водных объектах использование "пакетного" принципа организации моделей прогнозирования и нормирования техногенных нагрузок на водные объекты. При этом выбор конкретной оптимальной модели должен производится исходя из:

- режима сброса в водный объект,

- вида поллютанта,

- характера водного объекта, полноты и точности задания исходных гидрологических и гидрохимических характеристик.

- размеров рассматриваемой области и продолжительности прогнозного периода;

- создание централизованной службы, определение порядка обмена

и согласовали исходной информации,а также результатами расчета между отдельными подразделениями природоохранных органов и водопользователями. Организации на этой основе системы динамического нормирования сбросов сточных вод по бассейновому принципу в масштабах рассматриваемых территориальных единиц.

Данная методология также включает в себя:

новый методический подход к установлению расчетных естественных фсновых концентраций:

- программный комплекс, реализованный для операционных сред ms dos ц windows, состоящий из информационных баз данных, пакета моделей разбавления и миграции поллютантов в различных водных объектах, а также установления ГЩЗ.

Разработанная методология прошла апробацию, внедрена в Пермоблкомприроды и может быть использована в других регионах России.

2.Критерии экологически безопасного содержания эндогенных поллютантов должны строится на основе анализа статистики их естественного фонового содержания, при этом, в качестве ЦДК целесообразно принимать их квантиль порядка (р_05), где р -принимаемая надежность Функционирования рассматриваемой экосистемы. Показатель р должен задаваться с учетом региональных особенностей водного объекта и характера рассматриваемых поллютантов.

3.При прогнозирования последствий техногенных воздействий на водные объекты необходимо учитывать:

- при сбросе техногенных взвешенных наносов - их генезис, характер и интенсивность обмена с донными отложениями,

- при поступлении гетерофазненеконсервативных поллютантов - их содержание не только в водной массе, но и миграцию на взвешенных наносах и донных отложениях;

- охватывать весь период функционирования технологического комплекса, учитывать внутригодовую и междугодичную изменчивость расходов водотоков-приемников, динамику донных отложений.

При нормировании сбросов неконсервативных, в первую очередь гетерофазнонеконсервативных поллютантов, целесообразно отказаться от использования так называемых нормативных минимальных лимитирующих расходов. Нормирование данных

токсикантов должно проводится исходя из выполнения в контрольном створе водного объекта требования:

где: /4(с) - плотность распределения *-того поллютанта в контрольном створе; ^ - общее количество рассматриваемых поллютантов, имеющих -)-тый лимитирующий показатель вредности.

Нормирование взвешенных веществ на основе их допустимых превышений над фоновым содержанием приемлемо только для естсстимппгс и!«'*—.г, глрппторпш для данного водного объекта. При сбросе техногенных наносов необходимо учитывать, что они могут выступать в качестве транспортного канала для гетерофазнонеконсервативных поллютантов. Вследствие десорбции данных токсикантов, суммарное токсическое воздействие наносов может существенно усиливаться.

Построенные в работе модели динамики взвешенных наносов и донных отложений, миграции гетерофазнонеконсервативных поллютантов могут давать достаточно объективные оценки рассматриваемых процессов.

4.Значительные потоки тяжелых металлов, обусловленные как естественными, так и техногенными факторами в условиях замедленного водообмена Камского водохранилища определяют высокую интенсивность их аккумуляции и накопление в ложе водохранилища, состваляющая по железу 2.5 мкг/мгсек, меди -0.016 мкг/мгсек, цинку - 0.037 мкг/м2сек. Вклад антропогенных Факторов составляет по железу 29$, цинку ЪЭ%, меди 39$ от суммарного поступления в данный объект.

При этом доля "декларируемой" составляющей в антропогенном потоке поллютантов, определяющая в значительной мере характер его загрязненности, варьирует в значительных пределах: от 86% для железа, 50$ для хлоридов до 4+5£ для меди и цинка.

N.

V. < р.

'А 1

о

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1.Исследование влияния промышленных выбросов на качество воды в р.Кама и Белой для разработки мероприятий по их предотвращению ^ Материалы Всесоюзной конференции по проблеме комплексного использования и охране водных ресурсов бассейна р.Волга. Вып. "Качмл'ао и вид".- Пермь, 197'Ь, с.93-96 (в соавторстве с Девятковой Т.П., Морозовой Г.В.).

2.Прогноз многолетних колебаний озера Курлады // Охрана окружающей природной среды в угольной промышленности. Вып.3™7, Москва, 1978, с.10-15 Св соавторстве с Немковским Б.Б., Казаковым А.Г.).

3.К расчету процессов турбулентной диффузии в русловых потоках Охрана природных вод Урала. Вып.*1, Свердловск, 1980, с.105-111 Св соавторстве с Оняновым В.А.).

4.Оптимизация природоохранных мероприятий при сбросе минерализованных шахтных вод в водоемы Сна примере оз.Курлады) ^ сб."Охрана окружающей природной среды", N26. Москва, 1980, с.54-62 (в соавторстве с Немковским Б.Б., Казаковым А.Г.).

5.Загрязнение водохранилищ и некоторые методы его расчетов " Сб."Охрана природных вод Урала", Свердловск, 1982, N126, с.39-48 (в соавторстве с Печеркиным А.И.,Печеркиным И.А., Двинских С.А.).

6.Влияние водохранилищ на окружающую природную среду ^ Методическое пособие. Изд.ПГУ, 1981, 116с. (в соавторстве с Печеркиным А.И., финских С.А.).

7.Прогноз влияния угольных предприятий КАТЭКа на водные объекты " Сб.:"Современное состояние и прогнозируемые изменения в окружающей среде под влиянием КАТЭКа". М., М.О. Гидрометеоиздата, 1984, с. 147-155 Св соавторстве с Красавиным А. П.).

8.Особенности загрязнения рек-приемников предприятий угольной промышленности Сб."Вопросы использования водных ресурсов и экономика природоохранных мероприятий". М., 1981, с.42-46 (в соавторстве с Немковским Б.Б.).

Э.Динамико-статистические модели миграции загрязняющих ингредиентов в водотоке " Тез.докл.второй всесоюзной конференции

"Динамика и термина рек, водохранилищ и эстуариев", М., Наука, т.1, 1984, с.249-251.

10.К расчету нормативных расходов водотоков при планировании водоохранных мероприятий " Тез.докл.Всесоюзного симпозиуме по современным проблемам прогнозирования контроля качества воды v озонирования. 1 секция. Прогнозирование и регулирование качеств« воды водоемов. Таллин, 1985, с. 175-177 Св соавторстве с Сухоруковым Г. А.).

11.Особенности построения моделей оценки влияния v нормирования сбросов предприятий угольной промышленности " Тез.докл. VI1 Всесоюзного симпозиума по современным проблема!, прогнозирования контроля качества воды и озонирования. 11 секция. Нормирование и контроль качества воды. Таллин, 1985, с. 117-120 Се соавторство с Оняновым В.А., Капитановой E.H.).

12.К методике расчета транспортирующей способности русловыэ потоков ^ Вопросы гидрологии и водной экологии Камскиз водохранилищ. Изд.ПГУ, Пермь, 1985, с.111-117 Св соавторстве с Капитановой E.H., Казаковым А.Г.).

13.Особенности нормирования сброса неконсервативных веществ i водотоки-приемники " Тез.докл.v Всесоюзного гидрологическое съезда. Секция качества воды и научных основ их охраны. Л.; Гидрометеоиздат, 1986 Св соавторстве с Беличенко Ю.П.).

14.Ведомственная инструкция с пакетом программ для ЭВМ пс расчету ПДС Сдля предприятий и организаций Минуглепрома СССР). Изд.ВНИИОСуголь, Пермь, 1986 Св соавторстве с Оняновым В.А.).

15.Разработка моделей по оценке влияния предприятий угольно! промышленности на окружающую среду Сб.научных трудо! "Рациональное использование и охрана окружающей среды". Изд.ЛГИ Л., 1986, с.28-32 Св соавторстве с Оняновым В.А.),

16.Особенности нормирования сброса взвешенных веществ шахтни вод Сна примере ПО "Воркутауголь") ^ Сб.научных трудов "Bonpoci охраны и рационального использования водных ресурсов в угольно! промышленности". Изд. ВНИИОСуголь, Пермь, 1987, с. 54-57 Ci соавторстве с Лаптевой А.К., Казаковой Н.С.).

17.Особенности процессов трансформации и нормирование сброс; тяжелых металлов шахтных вод " Тез.докл.хм* Всесоюзное гидрохимического совещания, Ростов-на-Дону, 1987, т.1,с.361-363С соавторстве с Капитановой E.H. .Ощепковой А.П.).

18,Особенности влияния предприятий угольной промышленности КАТЭКа на водные ресурсы " Экспресс-бюллетень "Экология КАТЭКа". Водные ресурсы как лимитирующий Фактор развития КАТЭКа, Иркутск, 1987, с.47-52.

19.Особенности моделирования миграции тяжелых металлов в водотоках-приемниках ^ Сб.:Совершенствование природоохранных мероприятий в угольной промышленности, с.69-77.

20.Решение вопроса нормирования сброса минеральных взвешенных веществ в водотоки-приемники ^ Экспресс-информация Минводхоза СССР. Сер.:"Комплексное использование и охрана водных ресурсов", вып. 7. М.,1988, с. 4-10 (в соавторстве с Казаковой Н.С., Головачевой С.И., Беличенко Ю.П.).

21.Особенности нормирования сброса взвешенных веществ в водотоки-приемники ^ Водные ресурсы, Nl, 1989, с, 103-108.

22.Особенности моделирования динамики донных отложений ^ Тез.докл.Третьей Всесоюзной конференции "Динамика и термина рек, водохранилищ и окраинных морей", М., 1989, т.1, с.81-82 (в соавторстве с Оняновым В.А., Лаптевой А.К.).

23.Особенности загрязнения р.Аба и ее донных отложений " Сб.:"Прогрессивные направления природоохранных работ при добыче и переработке углей и сланцев". Пермь, 1989, с.46-51 (в соавторстве с Казаковой А.К. .Капитановой E.H.,УФимцевым А.Е.).

24.Особенности миграции в водоемах-приемниках микроэлементов, поступающих с карьерными и дренажными водами // Гидрохимические материалы. Т. 18 Изменение гидрохимического режима и качества воды рек, озер, водохранилищ под воздействием хозяйственной деятельности человека. Л., Гидрометеоиздат, 1989, с.62-69 (в соавторстве с Капитановой E.H., Ощепковой А.П.).

25.Использование системного подхода к изучению географических образований (природоохранный аспект) ^ Учебное пособие, Пермь, 1990, 110с. (в соавторстве с Двинских С. А.).

26.Особенности нормирования сброса неконсервативных веществ в водотоки-приемники " Труды 5 гидрологического съезда, т. 10. Л.: Гидрометеоиздат, 1991. (в соавторстве с Капитановой E.H.).

27.Особенности применения прудов-накопителей и моделирование в них процессов очистки сточных вод от тяжелых металлов " "Проблемы защиты окружающей среды от техногенных загрязнений в угольной промышленности". Пермь, 1992, с.53-64 (в соавторстве с

Казаковым А.Г., Немковским Б.Б.).

28.Особенности загрязнения р.Чуеовой тяжелыми металлами., "Проблемы защиты окружающей среды от техногенных загрязнений угольной промышленности". ВНИИОСуголь, Пермь.1992.с.39-47 соавторстве с Капитановой Е.Н.).

29. Принципы нормирования техногенных нагрузок на природа; комплексы "Физико-географические основы развития и размещен: производственных сил Нечерноземного Урала. "Межвуз. сб. нау трудов, Пермь, 1993, с.86-94.

30. Прогноз термического режима участка долинного водохранили под влиянием теплового загрязнения Тез.док. 2-меадународного симпозиума "Проблемы токсикологии и прикладн экологии",Пермь, 1993 (в соавторстве с Иваненко С.А..Носковым В.] Садохиной Е.Л. ),

31.Комплексная система контроля прогнозирования и управлен состоянием водных объектов в зонах интенсивного техногенеза • Тез.докл. 2-го международного симпозиума "Проблемы токсикологии прикладной экологии", Пермь,1993 (в соавторстве с Душкиной О.И

32.Pollution Content Safety Cr-iterion Analysis and Wat Object Technogenic Load Normallzation // Enironmental PoUuti and Neuroimmuno Interactions and Environmet. Internatioi Со-Conférence,17-24 JuIy,199S,ST.Petersburg, Rossia, 39c.

соавторстве с Душкиной О.И. ).

33.Elaboi-at.ion and Inroduction of Program Complex for Wat Object Pollution Waste FJow Conséquences Prodnosis Enironmental Pollution and Neuroimmuno Interactions s Environmet. International Co-Oonference, 17-24 July, 19! ST.Petersburg, Rossia, 39c. (в соавторстве С МирОШНИЧеНКО С. A

Садохиной Е.Л., ГельФенбуймом И.В.).

34:Waste Water Flow Dynamic Normalizing System' for a Lar Administrative Unit CE.C.Perm RegiorO // Enironmental Pollutj and Neuroimmuno Interactions and Environmet. Internatioi

Co-Conference, 17-24 July, 1995, ST.Petersburg, Rossia,39c.

соавторстве с Садохиной Е. А.,ГельФенбуймом И.В.).

35.Техногенные аварии в проблеме комплексных оцеь техногенных воздействий на поверхностные водные объекты Международный симпозиум spm_95, Москва-Пермь, 15-21 сентяс 1995г,с,34-35 (в соавторстве с ¡буймом И