Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Геоэкологическое обоснование орошения городскими сточными водами

ВАК РФ 04.00.06, Гидрогеология

Автореферат диссертации по теме "Геоэкологическое обоснование орошения городскими сточными водами"

МИНСТРОЙ РОССИИ Производственный и научно-исследовательский институт по инженерным изысканиям в строительстве (ПНИИИС)

ОД

На правах рукописи УДК 556.332

ИВЛ$В ВИКТОР ВЛАДИМИРОВИЧ

ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ОРОШЕНИЯ ГОРОДСКИМИ СТОЧНЫМИ ВОДАМИ

Специальность: 04.00.06 - Гидрогеология.

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1996

Работа выполнена в Научно-исследовательском институте по сельскохозяйственному использованию сточных вод "Прогресс" (НИИССВ "Прогресс") Министерства сельского хозяйства и продовольствия Российской Федерации.

Научные руководители -

Доктор геолого-минералогических наук, профессор

Кандидат технических наук, старший научный сотрудник

Научный консультант-Кандидат сельскохозяйственных наук

В.м.голбдберг

Л.П.Овцов

Р.П.Воробьёва

Официальные оппоненты -Доктор технических наук, профессор Кандидат геолого-минералогических наук

Ведущая организация - АО "Алтайводпроект".

Н.П.куранов И.В.Галицкая

Защита состоится 24 декабря 1996 г. часов ы. мин

на заседании специализированного совета К.033.11.01 в Производственном и научно-исследовательском институте по инженерным изысканиям в строительстве (ПНИИИС) Минстроя России по адресу: 105058, Москва, Окружной проезд, д.18.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ПНИИИС по тому же адресу. Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим высылать по указанному адресу.

Автореферат разослан 23 ноября 1996 г.

Ученый секретарь специализированного

совета, кандидат геол.-мин. наук • о.п.павлова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В системе мероприятии, направленных на решение задач по охране природы и рациональному использованию природных ресурсов, особое место отводится очистке, безопасному отведению и утилизации сточных вод. Последнее представляется особенно актуальным в связи с незначительным сокращением объемов сточных вод промышленного и сельскохозяйственного производства по сравнению с 1990-1995 г.г. Многолетний опыт орошении в нашей стране и за рубежом свидетельствует о том, что перспективным в орошаемом земледелии является использование городских сточных вод. Они включают в себя хозяйственно-бытовые сточные воды и другие виды стоков, образующихся в населенных пунктах как результат проживания людей, функционирования коммунальных и небольших производственных предприятий. Городские сточные воды - наиболее распространенный вид сточных вод. Они проходят очистку на городских очистных сооружениях и поэтому в основном характеризуются невысокой концентрацией минеральных и органических веществ.

Орошение при определенных природно-климатических и техногенных факторах сопряжено с опасностью загрязнения почв« грунтов зоны аэрации и подземных вод. Потенциальному негативному воздействию подвержены также и поверхностные водные объекты вследствие поверхностного стока поливных вод с орошаемых участков и разгрузки загрязненных подземных вод, формирующихся под полями орошения -очагами инфильтрации. В связи с этим обстоятельством представляется необходимым и актуальным создание практической методики для оценок и прогноза геоэкологической обстановки на сельскохозяйственных землях с учетом специфики орошения городскими сточными водами.

Цель исследований заключается в разработке методической основы геоэкологического обоснования орошения городскими сточными водами. Методика должна включать набор методов

и расчетных зависимостей, позволяющих выполнить количественные оценки и прогнозы возможного изменения гидро-геохимнческой обстановки на рассматриваемой территории, а

ъ

также специальные прикладные программы для персональных ЭВМ, необходимые для инженерных расчетов.

Задачи исследований. Для реализации поставленной цели исследований необходимо решить следующие задачи:

1) обосновать подход к схематизации природных и техногенных условий территории, орошаемой городскими сточными водами, для прогнозирования изменений в почвах, грунтах и подземных водах;

2) обосновать научно-методический подход к прогнозированию состояния почв и пород зоны аэрации и уровенного режима грунтовых вод при орошении городскими сточными водами;

3) развить и обобщить методику прогнозирования загрязнения подземных вод при орошении сельскохозяйственных земель городскими сточными водами; свести в единую методику геоэкологического обоснования орошения городскими сточными водами оригинальные разработки и разработки других авторов;

4) реализовать наиболее практичные модели в виде прикладных программ для персональных ЭВМ;

5) апробировать разработанную методику геоэкологического обоснования на конкретных объектах орошения городскими сточными водами.

Условия и методика проведения исследований. Теоретическая часть диссертационной работы выполнялась автором в рамках Республиканской (Федеральной) Целевой Научно-Технической Программы на 1992-1995 г.г. "Разработать и освоить высокоэффективные ресурсосберегающеие технологии и технические средства по воспроизводству плодородия почв для возделывания сельскохозяйственных куЛьтур на мелиорированных землях и сельскохозяйственному водоснабжению, обеспечивающие получение экологически безопасной продук-

цнн, охрану окружающей среды, интенсивное развитие производства и улучшение социально-бытовых условии на селе" (Мелиорация и гидротехника) по тематике Главводхоза Минсельхозпрода РФ (тема №4.2.3) и ряда хоздоговорных работ. Экспериментальные исследования проводились в лабораторных и производственных условиях на объектах в Алтайском крае. Методика исследований заключалась в изучении и систематизации литературных и фондовых материалов по проблеме; в изучении природных условий конкретных мелиоративных объектов по проектным разработкам и справочной литературе; в изучении химического состава используемых на орошение городских сточных вод; в математической обработке результатов полевых исследований на персональной ЭВМ. Химические анализы проб городских сточных вод, образцов почв, водной вытяжки и грунтовых вод выполнялись НИИССВ "Прогресс" и его Алтайским подразделением. Научная новизна работы включает:

1) разработку специальной схематизации природных и техногенных условий полей орошения городскими сточными водами для целей прогноза состояния почв, грунтов и подземных вод;

2) разработку и обоснование подхода к прогнозу водно-солевого режима почвогрунтов зоны аэрации и уровенного режима грунтовых вод в условиях орошения городскими сточными водами;

3)развитие и обобщение методики прогнозирования загрязнения подземных вод при орошении сельскохозяйственных земель городскими сточными водами;

4) разработку комплексной методики геоэкологического обоснования орошения городскими сточными в'одами;

5) разработку автоматизации прогнозирования иа ПЭВМ загрязнения подземных вод при орошении городскими сточными водами;

6) апробацию разработанных автором научно-методических положений на конкретных мелиоративных объектах с использованием городских сточных вод на орошение. Практическая значимость диссертационной работы состоит в том, что разработанные автором научно-методический подход в сочетании с программным обеспечением могут использоваться широким кругом специалистов изыскательских, проектных и водохозяйственных организаций, а также работниками сельского хозяйства и органов охраны природы при проектировании, эксплуатации и экспертизе мелиоративных систем, использующих городские сточные воды. С одной стороны, оперативный прогноз позволит своевременно предусмотреть природоохранные мероприятия, что в целом будет минимизировать загрязняющее воздействие орошения городскими сточными водами. С другой стороны, положительный результат прогноза позволит шире использовать городские сточные воды в агрономических целях, что имеет важный ресурсосберегающий, экологический и сельскохозяйственный аспекты.

Реализация результатов работы. Результаты теоретических и методических исследований были использованы при проектировании и экспертизе следующих объектов в Алтайском крае:

• Оросительная система в совхозе "Колиаковский" с использованием сточных вод г.Алейска, прошедших предварительную очистку, на площади 852 га; объем сточных вод - 2500 тыс.м3 в год.

• Алейская оросительная система (Рубцовский участок) в совхозе-техникуме "Рубцовский" с использованием сточных вод г.Рубцовска после очистки на площади 2055 га; объем сточных вод - 6500 тыс.м5 в год.

Основные положения, которые выносятся на защиту: 1. Научно-методический подход к схематизации природных и техногенных, условий исследуемого объекта на комплексной основе, заключающийся в анализе и обобщении: • фондовых и литературных материалов по природным условиям объекта;

• проектных разработок и решений по использованию городских сточных вод для орошения на конкретных объектах;

• данных натурных наблюдений за состоянием природной среды при орошении сточными водами на объектах-аналогах;

• баланса вещества с учетом специфики и химического состава сточных вод.

2. Развитие и адаптация существующих расчетных схем и решений уравнений, описывающих процессы засоления почв и грунтов зоны аэрации и уровениого режима грунтовых вод для геоэкологического обоснования орошения городскими сточными водами.

3. Разработка комплексной методики геоэкологического обоснования орошения городскими сточными водами, включающей специально созданное автором программное обеспечение на основе современных вычислительных средств и методов, которое позволяет автоматизировать математические расчеты.

Апробация. Основные положения диссертации и результаты исследований докладывались в 1993-1996 г.г. на Ученом Совете НИИССВ "Прогресс", Ученом Совете Инженерно-гидрогеологического и геоэкологического научного центра Российской Академии Наук (ИГЦ РАН), на практическом семинаре "Использование коммунальных сточных вод и животноводческих стоков для орошения сельскохозяйственных площадей".

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 5 печатных работ и монография в соавторстве (В.М.Гольдберг. Р.П.Воробьёва).

Объем и структура работы. Текст диссертации изложен на 150 страницах, включает 16 таблиц, 10 рисунков. Диссертация состоит из введения, 7 глав основного текста, заключения и списка литературы из 185 наименований.

Автор посвящает работу памяти научного руководителя и учителя доктора геол.-мин. наук, профессора В.М.Гольд-

берга. Автор благодарит коллектив сотрудников НИИССВ "Прогресс" н ИГЦ РАН за поддержку и внимание к работе.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Глава 1. Агрогеоэкологические аспекты проблемы сельскохозяйственного использования сточных вод

Рассмотрены агрогеоэкологическне аспекты проблемы использования городских сточных вод на орошение; представлены сведения о видах сточных вод, используемых в сельском хозяйстве; отражены технологичекие особенности сельскохозяйственного использования сточных вод, в том числе особенности режима орошения сельскохозяйственных культур.

Анализ имеющихся материалов, в том числе по нормативным и методическим документам, показал остроту проблемы очистки и утилизации сточных вод промышленного, сельскохозяйственного производства и коммунального хозяйства и высокий ресурсосберегающий, природоохранный и сельскохозяйственный эффект технологии орошения сельскохозяйственных земель сточными водами. Глава 2. Воздействие орошения сточными водами на природную среду

Аналитический обзор отечественной и зарубежной литературы по влиянию орошения сточными водами и животноводческими стоками на природную среду показал, что этому вопросу уделяется весьма существенное внимание и он является неотъемлемое составной частью проектов орошения.

Исследования по методикам прогнозирования процессов в почвенном слое и верхних слоях зоны аэрации развивались в работах С.Ф.Аверьянова, И.П.Айдарова, Н.Н.Веригина, , А.И.Голованова, П.Я.Полубариновой-Кочиной, Л.М.Рекса, И.Я.Чариого, В.М.Шестакова и др. Общие вопросы изучения и прогноза гидрохимического режима подземных вод и их охраны обсуждаются в работах В.А.Барона, Ф.М.Бочевера, Н.Н.Веригина, В.М.Гольдберга, Д.М.Каца, Н.П.Куранова, Е.Л.Минкина, В.А.Мнроненко, А.Е.Орадовской,' И.С.Паш-

ковского, В.Г.Самойленко, В.М.Шестакова и др. Специфика орошения городскими сточными водами на земледельческих полях орошения впервые была рассмотрена в работах В.И.Владимирского. Формирование гидрохимического режима грунтовых вод полей орошения сточными водами изучалось Г.А.Шнном. Специализированная методика прогноза загрязнения подземных вод при орошении животноводческими стоками разработана В.М.Гольдбергом.

Однако применительно к проблеме орошения городскими сточными водами анализ публикаций показал необходимость дальнейшего развития методической базы и создания комплексной методики обоснования возможности использования городских сточных вод для орошения, которая могла бы применяться при проектировании, эксплуатации и экологической экспертизе мелиоративных объектов. При таком подходе к вопросу целесообразным представляется использование термина геоэкологическое обоснование орошения городскими сточными водами.

Глава 3. Обоснование подхода к схематизации природных и техногенных условий исследуемых объектов Геоэкологическое обоснование орошения городскими сточными водами представляет собой методику количественных оценок и прогнозов изменения геоэкологических условий на мелиорируемых объектах с учетом специфики орошения городскими сточными водами и опирается на:

• проведение специальной схематизации природных и техногенных условий орошаемой территории;

• выполнение прогноза состояния почв и пород зоны аэрации;

• выполнение прогноза загрязнения грунтовых вод под массивом, орошаемым городскими сточными водами;

• проведение оценки загрязнения подземных вод и водозаборных сооружений питьевого назначения;

• выполнение прогноза загрязнения поверхностных вод при орошении городскими сточными водами.

Для выполнения прогнозов и оценок необходима целенаправленная схематизация природных и техногенных условий орошаемого района, которая выполняется на основе ана-»

лиза фактических, фондовых и других материалов, проектных разработок и решении, данных натурных наблюдений за состоянием природной среды при орошении городскими сточными водами на объектах-аналогах. В работе обоснован перечень исходных данных, необходимых для геоэкологического обоснования.

К основным схематизируемым факторам, которые определяют условия загрязнения природной среды, отнесены: химический состав используемых для орошения городских сточных вод, их санмтарно-бактериологические, агромелиоративные и ветеринарные показатели; защитная способность зоны аэрации как природного фильтра; гидрогеологические и гидрохимические условия горизонта грунтовых вод как наиболее подверженного загрязнению, а также нижележащих водоносных горизонтов, в особенности эксплуатируемых для питьевого водоснабжения; режим орошения городскими сточными водами; баланс вещества, содержащегося в городских сточных водах, с учетом их специфики.

Баланс вносимых на поля загрязняющих веществ городских сточных вод представляется в следующем виде:

= <2Р + <2п + О. + <}Ф, где (¿р - количество веществ, усваиваемое сельскохозяйственными культурами; (^п - количество веществ, задерживающихся почвогрунтом; О» - количество веществ, переходящих в воздушную среду; С}ф - количество веществ, фильтрующихся через породы зоны аэрации до горизонта грунтовых вод. Величина (}ф обуславливает загрязняющий эффект орошения городскими сточными водами по отношению к подземным водам. Баланс вещества необходим в первую очередь для веществ, которые являются питательными для растений -соединения азота, фосфора, калия, а также микроэлементы. Из них наибольшее значение имеет баланс соединений азота

(аммонийный азот, нитратный азот), поскольку они также являются причиной широко распространенного нитратного загрязнения подземных вод. Соединения фосфора и калия активно поглощаются почвой и практически не достигают уровня грунтовых вод. Наряду с питательными веществами, в городских сточных водах могут содержаться опасные для здоровья человека и не являющиеся полезными для растений загрязняющие вещества - тяжелые металлы, нефтепродукты, хлориды, поверхностно-активные вещества (ПАВ), отдельные виды органических соединений, патогенные и другие болезнетворные микроорганизмы. По отношению к ним составление баланса значительно сложнее, т.к. условия их распределения и накопления в природных средах недостаточно изучены. Например, при орошении городскими сточными водами, содержащими хлориды, можно принять, что основная часть этих загрязняющих веществ может фильтроваться до горизонта грунтовых вод, так как они обладают хорошей миграционной способностью, являются устойчивыми и практически не поглощаются корневой системой растений и почвой ((?♦»<}). Орошение городскими сточными водами, в которых содержатся значительное количество солей натрия (неблагоприятный состав обменных катионов), вызывает процессы осолонцевания почв высокой поглотительной способности (черноземы, каштановые почвы, сероземы), поэтому в балансе необходимо учитывать долю вещества, сорбирующегося породами зоны аэрации (<3фя<3-<3п). Тяжелые металлы (в катионной форме) также сравнительно хорошо сорбируются породой, поэтому их продвижение по вертикальному профилю с поверхности земли до уровня грунтовых вод ноет замедленный характер и основное их накопление происходит в верхних частях зоны аэрации и особенно в почвенном слос. Патогенные микроорганизмы также хорошо сорбируются и отличаются сравнительно малым временем деструкции.

Гчава 4, Научно-методический подход к прогнозу загрязнения почв и грунтов зоны аэрации при орошении городскими сточными водами

»

Рассмотрены основные факторы, влияющие на водно-солевой режим почв и грунтов зоны аэрации при орошении городскими сточными водами, среди которых: химический состав оросительных вод; исходный гидрохимический режим и баланс грунтовых вод; радиационный, тепловой и воздушный режимы почвы; почвенная микрофлора.

Рассмотрении существующие научно-методические подходы (С.Ф.Аверьянов, И.П.Айдаров, Н.Н.Вернгин, Л.М.Рекс и др.) к моделированию почвенных процессов, протекающих при орошении чистой водой, и обоснована их применимость при орошении городскими сточными водами (прогноз засоления и осолонцевания почв).

Совместное нестационарное одномерное движение влаги и определённого вещества сточных вод в насыщенной и ненасыщенной зонах моделируется уравнениями сохранения массы, законом Дарси и уравнением диффузии по закону Фика. Зависимость капиллярного потенциала, коэффициента фильтрации, интенсивность транспирации описываются эмпирическими зависимостями (однокомпонентная модель влагосоле-переноса). Распределения влажности и концентрации вещества по профилю во времени рекомендовано рассчитывать на ПЭВМ по программе, разработанной во ВНИИГиМ им.А.Н.Костикова Л.М.Рексом и А.М.Якиревичем.

Для получения качественной картины распределения катионов Са1+, Mg2+, N3+ в почвенном поглощающем комплексе (ППК) при долгосрочных прогнозах осолонцевания почв высокой поглотительной способности рекомендовано применение расчетной схемы на основе равновесных изотерм ионно-обменной сорбции.

Глава 5. Обоснование и развитие научно-методического подхода к прогнозу состояния подземных вод при орошении городскими сточными водами

Рассмотрен характер загрязнения подземных вод в условиях орошения, который определяется качественным соста-

вом городских сточных вод, условиями их внесения на поля, режимом орошения; гидрогеохимическими характеристиками зоны аэрации; гидрогеологическими и гидродинамическими условиями водоносного горизонта; интенсивностью отбора подземных вод.

Наиболее вероятными видами загрязненнй подземных вод при орошении городскими сточными водами являются химическое и бактериальное.

Прогнозирование миграции загрязняющего вещества в подземных водах при орошении городскими сточными водами включает в себя: оценку времени достижения поливными водами УГВ; прогноз изменения во времени содержания загрязняющих веществ и общей минерализации грунтовых вод на проектируемый период эксплуатации оросительной системы; оценку дальности распространения загрязненных грунтовых вод по водоносному пласту; оценку изменения качества воды в природных водоёмах и водотоках, гидравлически связанных с загрязненным потоком грунтовых вод; оценку времени перетекания загрязнённых грунтовых вод через слабопроницаемые отложения в нижележащие водоносные горизонты; прогноз времени подтягивания загрязнённых межпластовых вод к водозаборному сооружению и прогноз изменения качества воды на нём; прогноз уровенного режима грунтовых вод при орошении.

В основу прогноза влияния орошения городскими сточными водами на подземные воды и водозаборные сооружения положена расчетная схема, 'предложенная В.М.Гольдбергом. дополненная и развитая автором в условиях орошения pas-личными оросительными нормами в течение ротации севооборота сельхозкультур. .

В случае одноразового полива для прогноза изменения во времени концентрации загрязняющего вещества в грунтовых водах под орошаемым городскими сточными водами участком (см.рис.1) предлагается расчетная зависимость вида: c*W++Ci-1W'.+CoW"e сф\¥ф+с0\Уо

0 =--, а =-, (1)

W* + Wo W* + W„

13

где: с} - концентрация загрязняющего вещества на год после начала орошения; Сф - концентрация загрязняющего вещества в водах, фильтрующихся ди горизонта грунтовых вод; \Уф - объем фильтрующихся вод; си - концентрация загрязняющего вещества а водах в предыдущем году; \У\> -объем загрязненных подземных вод, оставшихся под участком орошения после их вытеснения чистыми водами в межполивной период; \У"0 - объем чистых грунтовых вод, которые частично вытесняют загрязненные грунтовые воды за межполивной период; - объем грунтовых вод под орошаемым участком; С1 - концентрация вещества после поливного периода в первый год орошения.

Орошение городскими сточными содами ^ ^ ^ ^ ^ ^

УГ6

си «К см МУ4, Сц w, .с. Се

а) во время полива

С* Сц си Се

б) конец полива

т

Ъ-г «М <Н w;,c1 .л" \4--И

С« Се

а) юнец межполивного периода

Рис.1. Схема, к обоснованию расчетных формул (1). Если орошение производится различными оросительными нормами, значение XV ф будет периодически изменяться в течение ротации севооборота: УУф1, \Уф2, ... , ХУф14, где N - про-

должительность ротации севооборота. В противном случае рекуррентное соотношение (1) преобразуется в формулу:

С] = 5+(с1 - 5) «р:!-1 (2)

ф1 Сф\Уф+Со\У"о W'o

5 =-, ф1 =-, фз =-, (3)

1-Ф2 \Уф + \Уф+.\У0

Расстояние АХ|, на которое переместятся загрязненные грунтовые воды в течение ]-го года вниз по потоку с учетом естественного движения грунтовых вод с градиентом I и их отжатия поливными водами, можно определить по формуле: ДХ1 = и к|/п +0,5 \УФ/(8тп), <4)

где (м - продолжительность межполивного периода; к, п и т - коэффициент фильтрации, пористость и мощность водоносного горизонта соответственно; в - сторона прямоугольного участка орошения, перпендикулярная направлению движения потока грунтовых вод.

Для расчета времени перетекания т из верхнего в нижний горизонт целесообразно использовать формулу

пото2

т=-(5)

коДЬо

где по, то и ко - соответственно пористость, мощность и коэффициент фильтрации водоупора; ДЬо- среднее превышение УГВ над уровнем нижележащего водоносного горизонта, Д1ю>0. Если происходит проникновение загрязняющих веществ в подземные воды нижележащего горизонта и он является эксплуатируемым, то существует вероятность ухудшения качества воды на водозаборном сооружении. При этом оценивается: степень загрязнения подземных вод под массивом орошения; возможность-захвата загрязненных вод областью питания водозаборного сооружения; время подтягивания фронта загрязненных подземных вод к близлежащему водозаборному сооружению (скважине); изменение качества воды на водозаборе после подтягивания к нему фронта загрязненных вод и их смешения с чистыми подземными водами.

При наличии естественного движения размеры области питания определяются положением водораздельной точки X« вниз по потоку. Если движение подземных вод происходит в сторону полей орошения, то возможность загрязнения подземных вод маловероятна при условии Х»<Х0 (Хо - расстояние от полей орошения до водозаборной скважины). В противном случае зона загрязненных вод захватывается областью питания водозаборного сооружения, и.время подтягивания к водозаборной скважине фронта загрязнённых вод Т можно определить по формулам:

П1

Т =-Х,[ ß - ln(l + ß) 1, Р = Х„/Х„ (6)

kiici

m

Т =-Х»[ ß + ln(l - ß) 1, (7)

kliel

где щ, ki - соответственно активная пористость и коэффициент фильтрации водоносных пород; i«i - градиент естественного потока. Формула (б) применяется, когда движение загрязнённых вод происходит от полей орошения к скважине, формула (7) - в противном случае.

При отсутствии естественного движения подземных вод (условия бассейна) область питания водозаборного сооружения распространяется на весь пласт и движение загрязнённых вод к участку водозабора происходит из любой точки пласта. Время продвижения к нему загрязнённых вод Т рекомендуется оценивать по формуле

nmmiXo2

Т =--—. (8)

Q

где пи - средняя мощность пласта.

В условиях бассейна концентрацию вещества (минерализацию) отбираемой воды с можно определить по формуле

Я.** Л*

с - с --1

С = С* +-— arccos VT/t , t>T, (9)

я

где с* - исходное (до орошения) содержание вещества в отбираемой воде; с** - содержание вещества в подтягиваемых к скважине водах; t - текущее время.

При наличии естественного движения в пласте подземных вод (iei^O) характер изменения концентраций загрязняющих веществ будет зависеть от направления движения загрязнённых вод. В работе приведены расчетные формулы также и на этот случай.

Для долгосрочного прогноза изменения уровенного режима грунтовых вод при орошении сточными водами применяется расчетная схема на основе аналитического решения уравнения Буссинеска, описывающего изменение УГВ для условий подстилагщего водоносный горизонт горизонтального водо-упора, неограниченного по площади водоносного пласта и прямоугольной площади орошения.

Глава 6. Разработка программы для ПЭВМ прогнозирования загрязнения подземных вод при орошении городскими сточными eoda-tiu

Представлено разработанное автором программное обеспечение для персональных компьютеров типа IBM® PC, позволяющее автоматизировать выполнение прогнозов загрязнения подземных вод и водозаборных сооружений при орошении по представленным в гл.5, схемам.

Наименование программы: Ground Water Pollution.

Программа реализована в двух версиях: для MS-DOS® и

Windows™ 3.1. Windows-версия написана на - языке Borland® С++ 4.0 с использованием средств объектно-ориентированной библиотеки Object Windows® 2.0. Интерфейс программы реализован в стиле стандартного MDI-приложения и включает систему выпадающих меню, статусную строку с контекстно зависимой подсказкой. Пункты меню "Файл", "Редактор", "Поиск", "Окно" и "Справка" используются для. работы с файловой системой DOS, текстовым файлом, оконными объектами и при получении справки. Специфнче-

ские пункты "Данные", "Проект" и "Прогцоз" содержат команды выполнения прогноза, а также ввода, сохранения и проверки информации, характеризующей объект прогноза. В процессе набора с клавиатуры программа проверяет допустимость вводимых данных и в случае нарушения условий корректности выдает сообщение об ошибке и возможных путях ее устранения.

Размер исполняемого файла ООБ-версии составляет 309,836, \Ут(1о\У5-версии (без учета динамически загружаемых бибилиотек) - 757,760 Кбайт. Следует отметить, что для использования в инженерных расчетах подобная программа составлена впервые.

лйг^--*-Е2ЕЗт . • .-------.

Рис.2. Схема гидрогеолого-техногенных условий juaccHBa, орошаемого сточными водами г.Алейска. Условные обозначения. 1, 2 - границы проектируемого и действующего участков; 3 - гндроизогипсы;4 - карты полей фильтрации городских сточных вод; зоны различных гидрогеолого-техногенных условий (в скобках указана минерализация грунтовых вод, мг/л): 5 - I (0,3+1,0),6 - II, (1,0+3,0), 7 - 111 (10,0*18,0).

Глава 7. Использование разработанной методики геоэкологического обоснования орошения городскими сточными водами на конкретных объектах Для геоэкологического обоснования орошения сточными водами г.Алейска земель совхоза "Колпаковский" и обосно-

вания орошения сточными водами г.Рубцовска земель совхоза-техникума "Рубцовский" Алтайского края были выполнены исследования в следующей последовательности:

• проанализированы и схематизированы природные и техногенные условия орошаемых массивов (схема гидрогео-лого-техногенных условий массива, орошаемого сточными водами г.Алейска, представлена на рис.2; в табл.1 и 2 приведен химический состав используемых сточных вод; в табл.3 приведен исходный химический состав грунтовых вод под массивом орошения сточными водами г.Рубцовска);

• выполнены сравнительные оценки химического состава грунтовых вод на участках проектируемого орошения в увязке с составом оросительной воды;

• выполнен прогноз изменения солевого состава почвогрун-тов зоны аэрации под влиянием орошения с применением ПЭВМ;

• дан прогноз изменения качества грунтовых вод под влиянием орошения на срок эксплуатации оросительной системы с использованием ПЭВМ;

• выполнен прогноз влияния орошения на близлежащие водозаборы подземных вод;

• выполнен прогноз изменения уровня грунтовых вод;

• дано геоэкологическое обоснование орошения сельскохозяйственных земель городскими сточными водами г.г.Алейска и Рубцовска.

Таблица 1.Химический состав сточных вод г.Алейска

Место отбора проб рН Взасшен- ки* 1С* амстаа, мг/л Остаток, и г/л Щелочность, Азот обший, мг/л

Сухой Прокаленный мг-эка/л

1 2 3 4 5 6 7

Карты полей фильтрации 8,4 150 679 529 4 19

П родолжение табл.1

Место отбора проб хпк, мг/л мг/л С1 . мг/л с»1*, чг/л мг/л К\ мг/л N0-, мг/л

7 8 8 ю 11 12 13 14

Карты полей 456 100 189 73 29 8 247

Показатель химического состава вод Единица умеренна Место отбора проб воды

Озеро Горькое Сточные воды после КОС Магистральным канал АОС (р.Ален)

РН - 8.2 7.5 7.9

Щелочность МГ'ЭКв/л 5.4 3.2 2.9

Азот общий мг/л 34.7 15.8 19.1

Взвешенные мг/л 100.2 187.5 95.1

вещества #

Сухой остаток мг/л 835.1 494.1 332.1

Прокаленный мг/л 665.0 355.5 279.5

остаток

ХПК мг/л 190.4 115.4 126.2

БО«!- мг/л 179.0 95.0 82.0

С1- мг/л 102.7 69.1 18.8

Са1+ мг/л 68.1 64.1 56.2

мг/л 38.7 19.5 14.1

К* мг/л 16.9 11.2 2.9

N8* мг/л 177.2 79.5 26.7

Примечание. КОС - комплекс очистных сооружений, АОС - Аленская оросительная система.

Таблица 3. Исходным химический состав грунтовых вод под массивом, орошаемым сточными водами г.Рубцовска (мг/л

Скв ажи на N8* Сал- Мби С1- 8 0 42- НСОг Минерализация РН

1 31.18 54.11 35.26 53.18 69.13 292.89 551.75 7.5

2 858.36 408.82 380.61 187.92 3794.03 317.30 5956.04 7.4

3 77.05 88.17 37.70 35.46 334.14 183.06 757.58 7.6

4 60.72 120.24 48.64 28.36 224.68 427.13 922.95 7.4

5 61.18 100.20 65.66 42.55 444.42 170.85 888.36 7.4

(I) 218 154 114 69 973 278 1815 7.5

(11) 58 Я 47 40 268 268 780 7.5

Примечание. (I) - среднее по всем скважинам, (И)-•бе* учета скважины 2.

На основе этого сделаны следующие основные выводы.

Орошение сточными водами г.Алейска 1. За время эксплуатации оросительной системы ожидается тенденция к опреснению почвогрунтов зоны аэрации. Результаты расчета изменения содержания натрия в почвогрунтах

2-х метрового слоя с начальным содержанием 0,003 % от веса абсолютно сухой почвы для проектируемого участка орошения показывают, что ори орошении поливными водами с содержанием натрия порядка 300 мг/л (сточные воды г.Алейс-ка) содержание натрия в почвах снижается против исходной величины в 1,6 раза. Такая же картина наблюдается и по величине плотного остатка (рис.3). В дальнейшем сохраняется указанный уровень содержания натрия и величины плотного остатка.

2. При длительном орошении сточными водами имеется вероятность осолонцевания черноземных почв.

3. На части проектируемого под орошение массива, где в настоящее время показатели химического состава грунтовых вод (натрий, минерализация) больше соответствующих показателей поливной воды, произойдёт опреснение горизонта грунтовы.: вод. При этом минерализация грунтовых вод снизится против исходной величины в 1,034-1,47 раза, а содержание натрия в грунтовых водах - в 1,09 раза. В центральной и северо-восточной части территории, где в природных грунтовых водах содержание натрия составляет порядка 100 мг/л, концентрация этого вещества в грунтовых водах к 70 году эксплуатации оросительной системы увеличится до 173 мг/л, что не превосходит содержания в сточных водах г.Алейска, используемых для орошения.

4. Вследствие того, что расчетное время достижения поливными водами поверхности грунтовых вод существенно превышает срок жизни патогенных организмов, вероятность бактериального загрязнения горизонта грунтовых вод исключается.

5. Поскольку расчетное время поступления первых порций загрязненной воды к близлежащим водозаборным скважинам (п.Солнечный, л.Успеновка, п.Больше-Панюшево) соизмеримо со временем эксплуатации оросительной системы (70 лет), влияние орошения сточными водами не скажется на качестве воды на водозаборе.

6.Регулярное орошение может вызвать повышение уровня грунтовых вод. По этой причине рекомендовано устройство искусственного дренажа.

7. Выявлено отрицательное влияние карт полей фильтрации г.Алейска на гидрохимический режим прилегающих к ним земель, которое может выразиться в ухудшении водно-

физических свойств почвогрунтов зоны аэрации и засолении зоны аэрации и грунтовых вод.

8. Рекомендовано регулярное орошение городскими сточными водами на полях совхоза "Колпаковский" при строгом соблюдении технологического режима орошения, обустройстве дренажа и контроле за уровенным и гидрохимическим режимом грунтовых вод.

Орошение сточными водами г.Рубцовска

1. За время эксплуатации оросительной системы засоление почвогрунтов зоны аэрации не ожидается. Орошение должно сопровождаться постоянным контролем за состоянием орошаемых почв для предупреждения процессов засоления, которое может возникнуть в случае нарушения технологического режима. Прежде всего это относиться к процессам вторичного засоления, связанного с подъёмом до критических глубин минерализованных грунтовых вод. Наличие коллек-торно-дренажной сети уменьшает вероятность развития этих процессов и является положительным фактором.

2. При орошении водами оз.Горькое и- городскими сточными водами после КОС натриевое осолонцевание лугово-каштановых почв не ожидается. Однако соотношение обменных кат ионов в ППК может оказаться неблагоприятным. Вследствие этого при эксплуатации оросительной системы рекомендовано осуществлять постоянный контроль за изменением катионного состава почвенного поглощающего комплекса (в особенности по обменному магнию).

3. На рассматриваемой территории не произойдет бактериального загрязнения грунтовых вод. Для наиболее выживаемых микроорганизмов (срок свыше 150 сут) существует вероятность их проникновения в грунтовые воды. Однако такое загрязнение может иметь только локальный характер.

4. При орошении водами оз.Горькое и городскими сточными водами после КОС можно ожидать ухудшение состава грунтовых вод за 50-летний период (время эксплуатации оросительной сети) по натрию, хлоридам и ХПК. В количественном отношении это проявляется в большей степени при использовании вод оз.Горькое. Содержание натрия не превысит 140*195 мг/л. Концентрация хлоридов - в пределах ПДК для воды питьевого назначения. Особое внимание обращается на показатель ХПК, который может превысить допустимое значение для незагрязненных вод и ориентировочно составит 70*113 мг/л. По этому показателю рекомендовано проводить контроль при использовании сточных вод для целей орошения. Общая минерализация грунтовых вод изменится незначительно.

5. Загрязненные грунтовые воды за расчетный период не достигнут реки Алей, расположенной в 6*7 км от орошаемого массива.

6. Так как водозаборные скважины, эксплуатирующие горизонт грунтовых вод, находятся на расстояниях более 4 км от орошаемого массива, а распространение загрязнения грунтовых вод имеет локальный характер (1,7 км от массива за 50 лет), то указанные скважины не подвержены загрязнению.

7. Так как расчетное время перетекания значительно больше срока эксплуатации оросительной системы, то горизонт подземных вод кочковской свиты не подвержен загрязнению при орошении.

8. Орошение как городскими сточными водами после КОС, так и из оз.Горькое, в целом можно рассматривать как положительный фактор с точки зрения защищенности подземных и речных вод.

9. Рекомендовано орошение городскими сточными водами полей совхоза-техникума "Рубцовский" при организации систематического контроля за водно-солевым режимом почво-грунтов, уровенным режимом и химическим составом грунтовых вод.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ Основные выводы и результаты диссертационной работы состоят в нижеследующем.

1. Городские сточные воды являются с геоэкологических позиций наиболее перспективными для сельскохозяйственного использования. Использование этих сточных вод в сельском хозяйстве представляет собой ресурсосберегающую и водоохранную технологию и направлено на повышение урожайности и качества растениеводческой продукции.

2. Разработано геоэкологическое обоснование орошения городскими сточными водами как комплексная методика оценок и прогнозов геоэкологической ситуации на мелиорируемых объектах с учетом специфики орошения городскими сточными водами. Оно опирается на схематизацию природных и техногенных условий орошаемой территории; прогноз состояния почв и пород зоны аэрации; прогноз загрязнения грунтовых вод под массивом, орошаемым сточными водами; оценку степени загрязнения подземных вод и водозаборных сооружений питьевого назначения; оценку загрязнения поверхностных вод при орошении.

3. Геоэкологическое обоснование орошения сточными водами является необходимым компонентом проекта мелиоративного объекта. Оно должно включать оценку существующего состояния природной среды и прогноз его изменения под влиянием орошения. Кроме этого, необходимым признано создание системы постоянно действующего мониторинга и контроля за состоянием природной среды при орошении городскими сточными водами для корректировки выполненных прогнозов и принятия оперативных управляющих организационно-хозяйственных решений. .

4. Для обеспечения геоэкологического обоснования орошения городскими сточными водами необходима схематизация прй-родных и техногенных условий орошаемого района, которая

24

выполняется на основе анализа имеющихся материалов, проектных разработок и решений, данных натурных наблюдений за состоянием геологической среды при орошении сточными водами на объектах-аналогах. К основным схематизируемым факторам, которые определяют условия загрязнения почв и грунтов зоны аэрации, подземных и поверхностных вод, отнесены: 1) показатели используемых для орошения городских сточных вод; 2) гидрогеологические и гидрохимические условия подземных зод (прежде всего, грунтовых вод); 3) режим орошения; 4) баланс вещества, содержащегося в городских сточных водах, с учетом их специфики.

5. Оценка воздействия на подземные и поверхностные воды включает: оценку времени достижения поливными водами уровня грунтовых вод; прогноз загрязнения подземных вод под участком орошения; оценку дальности распространения загрязненных вод по водоносному пласту; оценку возможного влияния орошения на природные водные объекты и водозаборные сооружения (как в горизонте грунтовых вод, так ч в нижележащих водоносных горизонтах). Рекомендована модифицированная расчетная схема для прогноза влияния орошения городскими сточными водами на подземные воды и водозаборные сооружения в условиях орошения различными оросительными нормами.

6. Создано специальное программное обеспечение для ПЭВМ, которое может использоваться широким кругом специалистов при геоэкологическом обосновании орошения городскими сточными водами и позволяет в значительной степени автоматизировать необходимые расчеты, ускорить их и провести сравнительные оценки возможных вариантов,

7. Применение предложенной методики геоэкологического обоснования орошения городскими сточными волами на стадии проектирования мелиоративных объектов в Алтайском

25

крае, использующих городские сточные воды г.г.Алейска и Рубцовска, показало ее технологичность и достаточную надежность.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

1. Геоэкологическое обоснование использования городских сточных вод для орошения на примере г.Аленска Алтайского края II Геоэкология. - 1994. - №3. - С.22-36. (Соавторы: В.М.Гольдберг, Р.П.Воробьева).

2. Требования к исходным фактическим данным для гидрогеологического обоснования орошения сточными водами II Разведка и охрана недр. - 1994. - №9. - С.27-30. (Соавтор:

B.М.Гольдберг).

3. Геоэкологическое обоснование орошения сточными водами г.Рубцовска сельскохозяйственных земель совхоза-техникума "Рубцовский" (Алтайский край) // Экологически безопасное использование сточных вод и животноводческих стоков в сельском хозяйстве. Сб.научных трудов. - М. - 1995. -

C.425. (Соавторы: В.М.Гольдберг, Р.П.Воробьева, Л.Ф.Новикова).

4. Некоторые вопросы эволюции почв и грунтов зоны аэрации при орошении сточными водами // Экологически безопасное использование сточных вод и животноводческих стоков в сельском хозяйстве. Сб.научных трудов. - М.-1995 - С.364.

5. Агротехническая оценка эффективности работы ДМ "Фрегат" II Мелиорация и водное хозяйство. - 1995. - №1. -С.14-16. (Соавтор: Л.В. Мальков).

6. Практическое пособие по охране подземных вод при орошении сточными водами. --М.: Из-во Россельхозакадемии, 1995. (Соавторы: В.М.Гольдберг, Р.П.Воробьева).