Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Формирование и экологические свойства русловых отложений в водотоках на урбанизированных территориях

ВАК РФ 25.00.36, Геоэкология

Автореферат диссертации по теме "Формирование и экологические свойства русловых отложений в водотоках на урбанизированных территориях"

На правах рукописи

Курочкина Валентина Александровна

ФОРМИРОВАНИЕ И ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА РУСЛОВЫХ ОТЛОЖЕНИЙ В ВОДОТОКАХ НА УРБАНИЗИРОВАННЫХ ТЕРРИТОРИЯХ

Специальность 25.00.36 - Геоэкология (в строительстве и ЖКХ)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 2 [1ЮН 2012

Москва 2012

005045972

005045972

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный строительный университет»

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор

Боровков Валерий Степанович

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Суздалева Антонина Львовна

доктор биологических наук, профессор, ОАО "Научно-исследовательского института энергетических сооружений", отдел экологических проблем энергетики, начальник отдела

Дмитриева Ирина Львовна

кандидат химических наук, доцент,

ФГБОУ ВПО Московский государственный университет природообустройства, кафедра химии, доцент

ГУП «Мосводосток»

Защита состоится 27 июня 2012 г. в 14 час 00 мин. на заседании диссертационного совета Д. 212. 138. 07 при ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» по адресу: 129337, Москва, Ярославское шоссе, д. 26, ауд. №9 «Открытая сеть».

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет».

Автореферат разослан « 25» мая 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Потапов Александр Дмитриевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Актуальность диссертационных исследований определяется необходимостью улучшения экологического состояния городских водных объектов, находящихся в условиях негативного воздействия комплекса антропогенных и техногенных факторов, приводящих к их прогрессирующему заилению и деградации.

Для разработки инженерных природоохранных мероприятий по реабилитации городских водных объектов необходимы научно-обоснованные методы прогнозирования процессов накопления загрязненных донных отложений, база данных по загрязненности тяжелыми металлами и токсичными веществами, анализ их миграции, из донных отложений в водную массу, обоснованные требования для удаления отложений из речных русел и водоемов.

Для оценки влияния донных отложений на общее экологическое состояние водных объектов и прилегающих пойменных территорий и зон рекреации рассмотрена возможность оценки экологической опасности загрязненных донных отложений на основе изучения ми-фации тяжелых металлов в растения, выращенные на грунтах с добавками загрязненных донных отложений.

Область и объекты исследований

Область исследований - формирование и оценка загрязненности донных речных отложений на урбанизированных территориях, процессы переноса примесей из донных отложений в речную воду и миграция тяжелых металлов из загрязненных грунтов в растения.

В качестве объектов исследований миграции соединений тяжелых металлов из загрязненных грунтов в воду и растения выбраны загрязненные донные отложения водных объектов города Москвы и некоторые виды растительных культур.

Рабочая гипотеза

Улучшение экологического состояния водных объектов на урбанизированных территориях может быть достигнуто удалением донных отложений с учетом их загрязненности, объемов и распределения в речных руслах с предварительной оценкой их экологической опасности.

Цель и задачи исследований

Цель диссертационных исследований - изучение процессов формирования загрязненных донных отложений на урбанизированных территориях, процессы миграции химических соединений тя-

желых металлов из загрязненных грунтов в воду и растения для обоснования мероприятий по улучшению экологического состояния городских водных объектов, включая их очистку.

Задачи исследований:

1. выявить источники загрязнения водных объектов на городских территориях с оценкой степени влияния каждого из источников на качество воды и состояние речного русла;

2. разработать метод прогнозирования количества загрязненных отложений в речных руслах в пределах урбанизированных территорий для определения объемов загрязненных отложений при очистке русел рек в пределах крупных городов РФ;

3. установить характер и степень влияния факторов, влияющих на осаждение мелкодисперсных взвесей и последующее формирование слоя загрязненных отложений в речных руслах;

4. исследовать загрязненность донных отложений в руслах рек на урбанизированных территориях примесями техногенного и антропогенного происхождения, в том числе соединениями тяжелых металлов

5. исследовать миграцию тяжелых металлов из донных отложений в водную массу в статических условиях, условиях движения воды а также при разгрузке в водный объект грунтовых вод

6. определить степень перехода соединений тяжелых металлов в растения, выращенные на грунтах с добавками загрязненных донных отложений для оценки их экологической опасности.

Метод исследований

Экспериментально-аналитический, с использованием апробированных подходов и зависимостей, отражающих поведение мелкодисперсных взвесей в водном потоке и описывающих диффузионные массообменные процессы между водой и донными отложениями с проверкой полученных зависимостей данными лабораторных измерений, выполненных на сертифицированном оборудовании по стандартным методикам.

Достоверность результатов исследований обусловлена соответствием представлений о гидравлических и физических факторах, определяющих массообменные процессы, результатам ранее проведенных исследований других авторов; применением апробирован-

ных методик и стандартной измерительной техники, тщательным проведением основных и контрольных опытов.

Научная новизна результатов исследований:

1. Установлены источники загрязнения водных объектов на городских территориях с оценкой степени их влияния на качество воды и состояние речного русла.

2. Разработан метод прогнозирования количества загрязненных отложений в речных руслах в пределах урбанизированных территорий, определены объемы загрязненных отложений при очистке русел рек в пределах крупных городов РФ.

3. Установлены особенности осаждения взвесей в водном потоке, определены факторы, влияющие на формирование слоя загрязненных отложений в речных руслах.

4. Установлена высокая степень загрязненности донных отложений в руслах рек на урбанизированных территориях примесями техногенного и антропогенного происхождения, в том числе соединениями тяжелых металлов, концентрация которых в некоторых случаях превышает в десятки и сотни раз ПДК для воды.

5. Исследованы миграция тяжелых металлов из донных отложений в водную массу в статических условиях, в условиях движения воды с различной скоростью и при разгрузке грунтовых вод в водный объект. Установлена зависимость диффузионного процесса от концентрации примесей в растворах поровых отложений, крупности частиц, гидравлических характеристик водного потока и скорости фильтрации.

6. Определена степень перехода соединений тяжелых металлов в растения, выращенные на грунтах с добавками загрязненных донных отложений для оценки их экологической опасности.

Практическая значимость исследований заключается:

• в научно-методическом обеспечении методов воздействия на процессы формирования загрязненных русловых отложений и их удаление для улучшения экологического состояния водных объектов на урбанизированных территориях;

• оценке степени экологической опасности загрязненности речных русел, затапливаемых пойм и зон рекреации при экологическом мониторинге водных объектов;

• усовершенствовании учебного процесса по специальности «Инженерная защита окружающей среды».

На защиту выносятся:

• метод прогнозирования количества загрязненных отложений в речных руслах в пределах урбанизированных территорий;

• зависимости, характеризующие распределение взвесей в водном потоке и осаждение их в речное русло;

• состав и степень загрязненности донных отложений в руслах рек на урбанизированных территориях примесями техногенного и антропогенного происхождения, в том числе соединениями тяжелых металлов;

• методика экспериментальных модельных исследований.

• зависимость скорости миграции примесей из отложений от их концентрации в поровых растворах, крупности частиц, гидравлических характеристик водного потока и скорости инфильтрации;

• коэффициенты перехода соединений тяжелых металлов в растения, выращенные на грунтах с добавками загрязненных донных отложений;

Апробация диссертации

Результаты исследований обсуждались на совместном заседании кафедр инженерной геологии и геоэкологии, гидравлики, гидроэнергетики и использования водных ресурсов Московского государственного строительного университета, а также:

- на 4-й научной конференции молодых ученых, МГСУ, 2001;

-XIII Международной межвузовской научно-практической конференции «Строительство - формирование среды жизнедеятельности», апрель 2010 г.

Основные положения диссертации опубликованы в 8-и научных статьях, в том числе 7 в рецензированных изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, шести глав, включающих общие выводы и рекомендации, списка литературы и приложений; работа изложена на 178 страницах машинописного текста включая 50 рисунков и 24 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации; сформулированы рабочая гипотеза, цель и задачи исследований; описана методика экспериментов; обоснованы достоверность и научная новизна результатов, практическая значимость выводов и рекомендаций.

В первой главе рассматриваются техногенное и антропогенное воздействие на реки как фактор, приводящий к загрязнению воды и русел рек на урбанизированных территориях [B.C. Боровков, K.M. Беркович, К.Н. Дьяконов, А.Б. Иванов, М.И. Итигилова, И.Ф. Кара-сев, В.В. Куприянов, Н.И.Маккавеев, И.С. Пашковский, Б.Г. Ска-кальский, Б.С. Устюжанин, Р.С.Чалов, Г.М. Черногаева, A. Brookes, S. Hartley]. Приводятся данные, указывающие на преобладание процессов заиления рек во многих регионах РФ, особенно Центральном и Уральском регионах, имеющих развитое промышленное производство. Поскольку твердый сток с водосборных площадей выносится в речные системы водным стоком, который в этом процессе он выполняет роль транспортного механизма. По этой причине качество поверхностных вод оказывается напрямую связано с загрязненностью речных русел.

Рассмотрены факторы, влияющие на качество речной воды, и существующий метод классификации загрязненности водных объектов на основе индекса загрязненности воды (ИЗВ), учитывающий суммарные относительные концентрации шести лимитируемых показателей вредности. С использованием ИЗВ показано, что базовые водные объекты (донные отложения которых подвергались детальному исследованию в настоящей работе) по качеству воды относятся к классу сильно загрязненных водных объектов.

По характеру влияния загрязняющих примесей воды на состояние речных русел предлагается их разделение на два больших класса: химические загрязнения, представляющие собой растворимые химические соединения, и нерастворимые формы загрязняющих веществ, присутствующих в воде в виде грубодисперсных примесей и мелкодисперсных взвесей, которые объединяют в класс так называемых «мутьевых загрязнений». Рассмотрен вклад факторов урбанизации, оказывающих влияние на загрязненность водотоков, в том числе: промышленные и хозяйственно-бытовые сточные воды, поверхностный сток с городской территории, грунтовые, дренажные и поливомоечные воды. Показано, что основной вклад в химическое

загрязнение речной воды вносят: промышленные и хозяйственные сточные воды - до 48 %; дождевые и талые воды - до 36 %. По нерастворимым («мутьевым») формам наибольший вклад в загрязнение вносит поверхностный сток с городской территории - до 80%; сравнительно малый вклад добавляет отведение условно-чистых сточных вод - около 2 %. Натурные изыскания на городских водных объектах показали, что мелкодисперсные взвеси, обладающие развитой удельной поверхностью, адсорбирующие значительное количество загрязняющих примесей, осаждающиеся в речное русло, являются основным фактором его загрязнения. По этой причине в комплексе мероприятий по экологической реабилитации городских водных объектов очистка поверхностного стока с урбанизированных территорий является одним из важнейших элементов.

Под влиянием антропогенной техногенеза нагрузки поступление в водотоки загрязнений постоянно увеличивается, что приводит к ухудшению состояния или деградации водных объектов [В.А. Алексеенко, B.C. Аржанова, А. Вельнер, Е.В. Венецианов, М.А. Гла-зовская, Е.П. Нахшина, О.Н. Черных, Е.П. Чернышев, А.А.Суздалева, Дж. Фортескыо]. По данным различных авторов наиболее опасными загрязнителями донных отложений являются соединения тяжелых металлов [Е.П. Янин], концентрация которых в донных отложениях существенно превосходит уровень фонового загрязнения почв на водосборной территории, а также в десятки и сотни раз превышает ПДК для воды. Накопление значительного количества примесей в донных грунтах повышает градиент концентрации загрязняющих веществ, что способствует активизации процесса диффузии вредных примесей из донных отложений в речную воду, вторичному загрязнению и ухудшению качества воды. Процесс деградации водного объекта можно приостановить только целенаправленным воздействием на определяющие факторы. Для снижения степени загрязнения воды и прогнозирования ее качества необходимо учитывать гидродинамические характеристики потока, влияющие на русловые процессы. Уменьшение вторичного загрязнения и улучшение качества воды может быть достигнуто воздействием на гидравлический режим водного объекта и другими способами, снижающими темп осаждения мелкодисперсной взвеси, либо очисткой русла от загрязненных донных отложений, а также комбинацией указанных способов. Влияние на экологическое состояние водных объектов каждого из способов очистки значительно, поэтому очистка русел рек является необходимым мероприятием в соста-

ве комплекса мер по реабилитации водных объектов на урбанизированных территориях.

Во второй главе выполнены расчетно-аналитические исследования процессов формирования загрязненных донных отложений в речных руслах на урбанизированных территориях, необходимые для обоснования мероприятий и технологий и по их удалению.

Предложено условие осаждения частиц в водном потоке

■з 9 9

, чтгаг . ^ 7га? и пч

где, рт, р„ - плотность твердых частиц и воды; с/ - крупность частиц; Сп - коэффициент подъемной силы; и - скорость потока, обтекающего частицу.

Данное соотношение позволяет определить наименьшую крупность частиц взвеси, осаждающихся в водном потоке с заданной скоростью течения.

Скорость осаждения частицы в турбулентном потоке IV определяется разностью между силой тяжести, Архимедовой силой и гидродинамической подъемной силой

V3 Рв 2

где Со- коэффициент сопротивления

В турбулентном потоке осаждение возможно при IV больше вертикальной пульсации скорости V.

На основании уравнения баланса наносов, осаждающихся в потоке (3)

ШС = - СШ{ (3)

получено изменение концентраций взвеси в виде следующей зависимости

С/С0 = е~т/Н, (4)

где Н- глубина потока, С-концентрация взвеси, С0 - концентрация взвеси в начальный момент, 1- время.

Полученное выражение показывает, что осаждение взвесей происходит более интенсивно в прибрежных зонах с малыми глубинами

потока, что подтверждается данными натурных изысканий. На узких и глубоких участках русла скорость течения повышается, процесс осаждения сменяется процессом размыва русловых грунтов, и содержание взвесей в потоке возрастает. На участках расширения русла скорости течения уменьшаются, процессы размыва сменяются процессами осаждения взвесей, что согласуется с данными наблюдений «ВодоканалНИИпроект» за прохождением половодий по реке Москве в пределах города.

При разработке инженерных мероприятий по очистке загрязненных речных русел необходимы критерии опасности донных отложений. Данные, полученные на основе анализа процессов миграции вредных веществ из донных отложений в воду и растения, могут служить показателями экологического состояния почвенно-биологических ресурсов.

Решение вопроса об очистке водоема требует сведений по объемам загрязненных донных отложений и их распределению в русле реки. Обычно эти данные могут быть получены на основе детальных русловых исследований, включающих бурение большого числа скважин с анализом проб русловых грунтов, что является сложным и дорогостоящим мероприятием. В связи с этим на предварительных этапах рассмотрения вопроса об очистке загрязненного русла реки предлагается расчетный метод определения объема загрязненных отложений и их распределения в проточных водных объектах.

Методика расчета основана на использовании среднестатистического показателя объема взвесей, поступающих в речную сеть с урбанизированных территорий в год в расчете на одного жителя. Этот показатель отражает плотность городского населения, интенсивность хозяйственно-бытовых стоков, объемов поверхностного стока, техногенную и антропогенную нагрузку на территорию и связан с количеством промышленных сточных вод. При этом объем аккумулированных отложений Voc в водотоки в пределах урбанизированной территории может быть определен по формуле

Voc=q-N-T, (5)

где N - численность жителей города; Т - период накопления загрязнений; q - среднестатистическая величина годового твердого стока равная 0,02 м3 на одного жителя в год.

Определение толщины слоя отложений и протяженности загрязненных участков русла производится согласно следующему алгоритму:

* - с ь-уМ. У--Я-' , *■<>

где В - ширина зон заиления в русле; Ь - протяженность заиленного участка русла; V - скорость течения в межень; Н - средняя глубина реки; IV - скорость осаждения частиц (гидравлическая крупность); С? - расход воды в реке.

Расчетные годовые объемы аккумуляции отложений на городских участках рек РФ приведены на диаграмме (рис.1).

■Екатеринбург вЧелябинск ■Воронеж ■Рязань аПеюа ■Липецк ■Иваново шКурск ■Тверь ■Белгород Впадгажр Калуга ■Саранск Тамбов

Рис.1. Годовые объемы аккумуляции отложений на городских участках рек РФ

Результаты расчетов, выполненных с использованием предлагаемой методики, показывают, что годовые объемы аккумуляции взвесей в речных руслах на урбанизированных территориях могут достигать в год от 10 до 50 тыс. м3, при этом протяженность загрязненных участков колеблется от 2 до 18 км. Анализ, выполненный для 54 городов РФ, позволил установить, что суммарная протяженность загрязненных участков рек составляет 375 км, объем загрязненных отложений достигает 117,6 млн. м , а ориентировочная стоимость очистки - 140 млрд. руб.

. В-Ж

Кс'Ж

год '

В третьей главе приведены задачи экспериментальных исследований, план экспериментов, методика и техника измерений.

Экспериментальные исследования выполнялись по следующим направлениям:

1 количественный и качественный анализ загрязненности донных отложений водотоков на урбанизированных территориях с оценкой с уровня их экологической опасности.

2. Исследование миграции тяжелых металлов из загрязненных донных отложений в растения, которые использовались в качестве биоиндикаторов их загрязненности.

3. Выявление факторов, определяющих интенсивность и длительность процесса вторичного загрязнения речной воды вследствие диффузии примесей из донных отложений с речную воду.

В качестве исходных объектов исследования использовались загрязненные русловые отложения р. Яузы и природные незагрязненные грунты однородной консистенции (плодородные почвы), а также их смеси в весовых соотношениях от 34 % до 79 %. Таким образом, было исследовано 56 грунтов и грунтовых смесей.

Пробы грунта анализировались согласно РД 52.18.191-89.

Поскольку наиболее опасными загрязнителями являются соединения тяжелых металлов, программой экспериментальных исследований предусматривалось определение 9 элементов, в том числе: кадмий, кобальт, медь, мышьяк, никель, ртуть, свинец, хром и цинк. Таким образом, было выполнено 1008 элементо-определений содержания тяжелых металлов в грунтах и фунтовых смесях. В экспериментах определялись концентрации валовых и подвижных форм тяжелых металлов, отличающиеся процедурой пробоподго-товки. Для определения валового содержания соединений тяжелых металлов пробоподготовка производилась с использованием микроволнового разложения с добавлением концентрированной азотной кислоты в системе «Марс Экспресс СЕМ». Подвижные формы тяжелых металлов извлекались ацетатно-аммонийным буферным раствором с pH = 4,8.

Характерным загрязнением для водотоков на урбанизированных территориях являются также нефтепродукты. Для определения содержания нефтепродуктов использовался экспрессный вариант ИК-спектрометрического анализа, разработанный для бензинов и автола.

Для оценки экологической опасности загрязненных отложений изымаемых при очистке речных использовалось биотестирование. В качестве тестовых биообъектов использование злаковых культур (пшеницы, ржи, ячменя овса и проса), пасленовых (томатов), а также однолетние травянистые растения семейства тыквенных (тыкв).

Методикой предусматривалось сопоставление темпов роста растений, выращенных на смесях грунта с донными отложениями, а также оценка миграции тяжелых металлов в растения и установление характера их влияния на темп роста и жизнеспособность растений. Растения выращивались в лабораторных условиях на грунтах и грунтовых смесях с различным содержанием загрязняющих примесей, которое подвергалось контролю. Опыты по выращиванию растений производились в течение трех недель, после чего растения срезались, высушивались и озолялись. Определение тяжелых металлов в растениях производилось с использованием атомпо-абсорбционного метода после кислотной экстракции их из золы в соответствии с методикой, разработанной НИИ минерального сырья.

В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований:

• по установлению загрязненности донных отложений в водотоках на урбанизированных территориях и степени их экологической опасности;

• сопоставлению темпов роста растений, выращенных на смесях грунта с донными отложениями;

• выявлению миграции соединений тяжелых металлов в растения (тестовые биообъекты) из грунтовых смесей с различным процентным содержанием добавок загрязненных донных отложений;

• изучению диффузии примесей из загрязненных донных отложений в водные массы в статических условиях и при движении воды с различной скоростью, а также в условиях воздействия фильтрации.

В связи с отсутствием предельно допустимых концентраций (ПДК) для оценки степени загрязненности донных отложений установленные опытным путем концентрации тяжелых металлов сопоставлялись с их ПДК для почв и водных объектов культурно-бытового назначения, а так же с опытными данными по концентрации тяжелых металлов в донных отложениях, полученными другими авторами (Янин, 2006). Установлено, что содержание ТМ в донных

отложениях в водотоках на территории г. Москвы в 100...1000 раз превышает ПДК для воды (рис. 2).

^ Стм/ПДКводы

■ Кадмий (С(1) «Медь (Си) »Мышьяк (А$ ■ Никель (№)

РтутьОЗД г Свинец (РЬ) «Хром(Сг) ШЦинк(гп)

Рис. 2. Отношение содержания ТМ в донных отложениях к ПК примесей в воде, мг/кг

В результате было зафиксировано в среднем пятикратное превышение содержания ТМ в донных отложениях по отношению к уровню фонового загрязнения почв г. Москвы.

На основе исследования загрязненности и экологической опасности донных отложений, полученных данных по содержанию ТМ, загрязненные донные отложения базового водного объекта , которые использовались для анализов и выращивания растений, можно отнести к классу сильно загрязненных донных отложений, которые подлежат удалению, переработке и утилизации с применением специальных защитных мероприятий.

Выполненные анализы по содержанию подвижных форм соединений тяжелых металлов в загрязненных донных отложениях и грунтовых смесях показали, что их доля по отношению к валовому содержанию составляет от 10 до 20 %, и только для цинка достигает 40 %. Установлено также, что содержание подвижных форм в грунтовых смесях возрастает с увеличением доли загрязненных отложений.

В пятой главе, представлены результаты экспериментальных исследований миграции примесей в системе «грунт - вода».

Процессы деструкции примесей в донных отложениях приводят к образованию высококонцентрированных поровых растворов, которые диффундируют в речную воду и вызывают ее вторичное загрязнение. Лабораторные исследования массообменных процессов между донными отложениями и водной массой производились в статических условиях, а также в кольцевом канале при движении воды над слоем отложений с различной скоростью при числах Рей-нольдса от 42240 до 85200. Толщина слоя отложений составляла 40 мм, глубина водного потока 60 мм.В качестве модельных примесей в опытах использовались растворы поваренной соли и нефтепродукты (смеси бензина и автола). Исследования миграции примесей из донных отложений в водную массу производились также в условиях фильтрации через грунтовый массив при различной крупности частиц грунта. Обработка результатов измерений производилась па основе закона Фика.

(6)

где Спр - предельная концентрация примеси в слое грунта; С - концентрация примеси в воде; Я - площадь поверхности контакта воды с донными отложениями; 8 - толщина диффузионного слоя; ? -время; Ои- коэффициент молекулярной диффузии примеси.

Обработка приведенных данных показала, что крупность зерен грунта, изменяющаяся в пределах от 0,63 мм до 0,07 мм, при отсутствии фильтрации не оказывает заметного влияния на процесс переноса примесей. Это объясняется молекулярным характером процесса диффузии. Было определено время установления равновесной концентрации в системе «грунт - вода», которое в статических условий эксперимента может определяться по полученной зависимости:

т № (7)

11'

+—)

X "V

где /;„ - глубина водной массы; 1¥в, - объем жидкой фазы выше и ниже границы раздела «грунт - вода».

Исследования переноса примесей из отложений в воду в условиях ее движения показали, что он существенно интенсифицируется с увеличением скорости водного потока (рис. 3).

♦У-ЗЗ, 5 см/с ШУ=20см/с А У=17,6 см/с •статический эксперемент Рис. 3. Зависимость интенсивности переноса иримесей от скорости водного потока

Была получена следующая формула для описания этой зависимости: ] = а- АС ■ (—)3'4 • и0, (8)

V

где у - удельный секундный поток примесей из отложений в воду; АС - разница концентраций содержания примесей в грунте и воде; а - -коэффициент, характеризующий неравномерность распределения скоростей; V - кинематическая вязкость воды; щ - скорость водного потока; £> - коэфф диффузии.

Полученное выражение (8) может быть использовано при прогнозировании вторичного загрязнения водных потоков, движущихся с различной скоростью.

Исследования диффузии нефтепродуктов из загрязненных донных отложений в водную массу показали, что интенсивность процесса диффузии зависит от типа грунта. Так для мелкозернистых песков содержание нефтепродуктов в поверхностном слое уменьшилось на 30 % в течение 10 суток контакта «вода - грунт». Установлено, что процесс переноса примесей из слоя загрязненных отложений существенно ускоряется в условиях фильтрации (разгрузки) грунтовых вод в речное русло (рис. 4).

При этом коэффициент диффузии примеси Оф возрастает с увеличением крупности зерен грунта с1 и скорости инфильтрации мф

(9)

Полученные результаты относительно влияния фильтрации грунтовых вод на перенос примесей из донных отложений в водную массу указывают на необходимость учета этого фактора при прогнозировании вторичного загрязнения речной воды.

С, мг 1800

1600

1400

1200

1000

800

600

400

200

0

■'21 Л. \

к ^^ 1

~ 1

0 500 1000 1500 2000

■ <1=0,63 мм —•— (1=0,315 мм ■ *-- <1=0,14 мм -

2500 3000 — <1=меньше 0,14 мм

Рис. 4. Влияние крупности частиц на процесс переноса в условиях инфильтрации

В шестой главе приведены результаты сравнительных исследований характера и темпа роста тестовых растений, которые показали, что характер и темп роста для всей группы тестируемых растений изменяется во времени практически одинаково. Для всех растений наибольший темп роста наблюдается в течение первых пяти дней вегетации (рис. 5).

Результаты опытов биотестирования показывают, что добавка загрязненных донных отложений в грунт в количестве 12... 15 % по весу оказывают положительное воздействие на рост растений. С увеличением добавки свыше 20% темп роста растений уменьшается.

—•—0% —А— 4% —■—7% —О—15% —А— 34% —■—56% -в-79%

Рис. 5. Влияние добавок загрязненных донных отложений на рост растений

(на примере проса)

Установлено, что уровень содержания тяжелых металлов в тестовых растениях во всех случаях оказался значительно ниже ПДК, для растений. Это обстоятельство возможно связано с ограниченным сроком выращивания опытных растений, который не превышал 30 суток. Тем не менее, это обстоятельство открывает обнадеживающие перспективы использования загрязненных русловых отложений Результаты выполненных исследований и полученная база данных по миграции загрязняющих примесей из донных отложений в речную воду и в тестовые растения свидетельствуют о том, что для улучшения экологического состояния водных объектов на урбанизированных территориях необходимо удаление загрязненных донных отложений, которые могут быть использованы в качестве 15-20% добавок в грунты, используемые в лесном хозяйстве, с/х производстве и при ландшафтно-планировочных работах в строительстве с соблюдением нормативов экологической безопасности

В ряде случаев возможна передача загрязненной иловой компоненты удаляемых русловых отложений на городские очистные сооружения после выделения песчаных фракций, которые могут быть использованы в строительстве и городском хозяйстве.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Удаление загрязненных русловых отложений является необходимым мероприятием для улучшения экологического состояния городских водных объектов при их экологической реконструкции.

2. Основными источниками формирования загрязненных донных отложений в водных объектах на городских территориях являются сильно загрязненный поверхностный сток, который вносит в водные объекты до 80 % общего количества мелкодисперсных взвесей, осаждающихся в речных руслах.

3. Разработана методика прогнозирования количества загрязненных отложений в речных руслах в пределах урбанизированных территорий, основанная на использовании осредненпого удельного показателя твердого стока, с применением которого определены объемы загрязненных отложений, рекомендованные к удалению при очистке русел рек в пределах крупных городов РФ.

4. Предложена расчетная схема осаждения частиц взвеси, на основе которой получено кретериалыюе условие осаждения частиц в потоке.

5. Получена зависимость, характеризующая распределение мелкодисперсной взвеси в речном потоке, указывающее па преобладание седиментационных процессов в зонах малых глубин и малых скоростей потока.

6. Установлена высокая степень загрязненности донных отложений в руслах рек на урбанизированных территориях примесями техногенного и антропогенного происхождения, в том числе соединениями тяжелых металлов, концентрация которых в некоторых случаях в десятки и сотни раз превышает ПДК для воды.

7. Выявлена зависимость диффузионного потока примесей из донных отложений от их концентрации в поровых растворах, гранулометрического состава отложений, гидравлических характеристик водного потока и скорости фильтрации в русло грунтовых вод.

8. Определена степень перехода соединений тяжелых металлов в растения, выращенные на грунтах с добавками загрязненных донных отложений для оценки их экологической опасности, а так же для рассмотрения вопросов, связанных с утилизацией загрязненных донных отложений при очистке водных объектов.

9. Разработаны предложения по использованию донных отложений, изымаемых при очистке рек, для ландшафтно-планировочных работ в строительстве, в лесном и с/х производствах с соблюдением нормативов экологической безопасности.

Список публикаций по результатам исследований в изданиях, рекомендованных ВАК

1. Банков В.Н., Курочкина В.А., Писарев Д.В. Речная гидравлика и свойства русловых отложений на урбанизированных территориях // Вестник МГСУ, 2011. - спецвыпуск Л» 2, т. 2. - С. 221-228.

2. Бо гомолова Т.Г., Курочкина В.А. Загрязнение речных русел на урбанизированных территориях и проблемы их очистки для улучшения экологического состояния водотока // Инженерные изыскания, 2010. - № 10. -С. 56-60.

3. Бо гомолова Т.Г., Курочкина В.А. Загрязнение речных русел на урбанизированных территориях и инженерные мероприятия по улучшению их экологического состояния // Вестник МГСУ, 2010. - Л» 4, т. 2. - С. 399-405.

4. Боровков B.C., Курочкина В.А. Роль седиментационных процессов в самоочищении водных объектов // Вестник МГСУ, 2010. - № 4, т. 2. - С. 41-45.

5. Боровков B.C., Курочкина В.А. Миграция тяжелых металлов в растения при их выращивании с использованием сточных вод и загрязненных плов в качестве удобрении //Экология урбанизированных территорий, 2011. - ЛЬ 2. - С. 51-54

6. Блази С., Боровков B.C., Курочкина В.А. Комплексная экологическая безопасность водных объектов на урбанизированных территориях // Экология урбанизированных территорий, 2012. -Лз 2.

7. Курочкина В.А. Очистка речных русел и использование речных плов в зеленом строительстве//Вестник МГСУ, 2010. 4, т. 2. - С. 45-51.

А также в других изданиях:

1. Курочкина В.А. Оценка изменения качества воды и загрязненности речного русла при проектировании инженерно-экологических мероприятий на водном объекте / Научные труды XIII Международной межвузовской научно-практической конференции «Строительство - формирование среды жизнедеятельности» от 14-21 апреля 2010 г. - М. : АСВ. - С. 287-292.

Лицензия ЛР № 020675 от 09.12.97 Московский государственный строительный университет

Подписано в печать 24.05.2012 Формат 60x84/16 Печать офсетная Объём 1,25 п.л. Тираж 100 Заказ 38

Отпечатано в Типографии МГСУ 129337, г.Москва, Ярославское шоссе, д.26, корпус 8 Качество печати соответствует качеству предоставленных оригиналов