Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Комплексный анализ изменения состояния водоема-охладителя ТЭС и возможные пути его восстановления

ВАК РФ 25.00.36, Геоэкология

Автореферат диссертации по теме "Комплексный анализ изменения состояния водоема-охладителя ТЭС и возможные пути его восстановления"

На правах рукописи

Токарева Ольга Юрьевна

КОМПЛЕКСНЫЙ АНАЛИЗ ИЗМЕНЕНИЯ СОСТОЯНИЯ ВОДОЕМА-ОХЛАДИТЕЛЯ ТЭС И ВОЗМОЖНЫЕ ПУТИ ЕГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ (НА ПРИМЕРЕ ОЗЕРА В Г. ЧИТЕ)

Специальность 25.00.36 - Геоэкология

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Чита, 2004

Работа выполнена в Читинском государственном университете

Научные руководители: доктор технических наук, профессор,

Заслоновский Валерий Николаевич

кандидат технических наук, доцент Шарапов Николай Михайлович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор,

Попов Александр Николаевич

доктор биологических наук, старший научный сотрудник Локоть Людмила Ивановна

Ведущая организация: Институт природных ресурсов, экологии и криологии СО РАН (ИПРЭК).

Защита состоится »июнр 2004 г. в часов на заседании

диссертационного совета К 212.299.02 при Читинском государственном университете по адресу: г. Чита, ул. Амурская, 15, ауд. ВХ-410.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Читинского государственного университета

Отзыв на автореферат, заверенный печатью, просим выслать по адресу:

672039, г. Чита, ул. Алексапдрово-Заводская, 30, ЧитГУ, ученому секретарю диссертационного совета К 212.299.02. Факс: (3022) 26-14-59

Автореферат разослан 2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, м

к.т.н., доцент ЩЦ/ Н.М. Шарапов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. Экономическое развитие общества тесно связано с использованием природных ресурсов, как минеральных, так и энергетических. На современном этапе развития общества одной из ведущих проблем является обеспечение электроэнергией, поэтому имеется большая потребность в энергетическом сырье. Энергетика является базой для развития всех отраслей промышленности, транспорта и сельского хозяйства, оказывает значительное воздействие на окружающую среду. Производственный процесс на ТЭС связан с забором большого количества воды для охлаждения и ее сбросом с измененными теплохимическими характеристиками в водные объекты. Особенно чувствительны к такому воздействию небольшие водоемы, в которых значительно ускоряются процессы эвтрофирования и происходит деградация водного объекта. При этом водоем переходит из природного в природно-антропогенное и далее в антропогенное состояние, теряя свои природные свойства. Этапы и стадии такого перехода до настоящего времени практически не изучены.

В настоящее время существует два подхода к решению проблем природопользования. Первый основан исключительно на нормах и лимитах на использование природных ресурсов, что приводит к «сохранению без развития»*, так как система экологических ограничений консервативна и может быть принята лишь в качестве временной меры.

Второй подход основан на формировании новых систем «человек-природа». Эта система может быть определена как взаимодействие природного и технического объектов в интересах использования и сохранения природной среды. В этом случае лимиты на использование природных ресурсов являются только способом регулирования. Этот подход может быть сформулирован как «развитие без разрушения»*. Второй подход может быть плодотворным и при оценке состояния природных озер, используемых в качестве водоемов-охладителей ТЭС, что до настоящего времени применялось недостаточно широко.

При этом должен быть выполнен комплексный анализ изменений экосистемы водоема-охладителя с учетом направлений отрицательного воздействия элементов и систем ТЭС на него и намечены пути стабилизации и восстановления этой экосистемы.

Таким природным водным объектом, включенным в водооборотную систему ТЭС с середины 60-х годов XX века, является озеро Кенон в г. Чита. Это дает возможность опробовать предлагаемый подход на данном водоеме.

Тема исследования непосредственно связана с НИР кафедры водного хозяйства и инженерной экологии ЧитГУ.

Васильев Ю С, Федоров М П, Блинов Л Н Подготовка кадров п< СПбТПУ //Безопасностьжизнедеятельности 2003№6 -с38-43

Идея работы заключается в необходимости применения комплексного подхода к анализу изменений состояния природного водного объекта, включая водные, тепловые, гидрохимические и гидробиологические характеристики и определение условной границы перехода его в природно-антропогенное состояние, ориентируясь на которую следует планировать его поэтапную стабилизацию и восстановление.

Целью диссертационной работы является комплексная оценка состояния, выявление причин деградации водоема-охладителя ТЭС и разработка мероприятий по приостановлению этого процесса и дальнейшей стабилизации.

Задачи исследования

1. На основе обзора научных исследований определить пути негативного влияния тепловых электростанций, их элементов и систем на окружающую среду. Определить подход к решению вопроса о восстановлении нарушенных таким воздействием водных экосистем.

2. Определить способы и методы оценки изменений водоемов-охладителей под влиянием ТЭС.

3. Предложить комплексный подход, соответствующий интегральный показатель и на этой основе выполнить научный анализ изменений, произошедших в экосистеме конкретного водоема-охладителя.

4. На основе выполненного анализа определить этапы деградации водоема и границу перехода его из природного в природно-антропогенное состояние.

5. Определить возможные пути восстановления водоема до показателей, определяемых установленной границей.

Объектом исследований является водоем-охладитель циркуляционной воды ТЭС.

Методы исследований: в работе использован комплекс методов, включающий анализ данных научной литературы, длительных рядов наблюдений за водными, тепловыми и гидрохимическими характеристиками водоема, собственных натурных наблюдений автора и сопоставление их с данными других исследователей.

Для анализа данных использовались стандартные методики наблюдений, а для их обработки - программные средства обработки табличных данных: Microsoft Excel, программа расчета модуля выноса загрязняющих веществ, разработанная в ДП ФГУП ВостокНИИВХ с участием автора и Golden Software Surfer.

Научная новизна

Решена задача по оценке изменения состояния водоема-охладителя ТЭС за длительный период времени и поэтапному его восстановлению, в частности:

1. предложен комплексный подход к оценке состояния водоема-охладителя, - увязывающий изменение водных, тепловых и

гидрохимических характеристик режима природного озера с влиянием на него технологических процессов ТЭС, включая системы охлаждения и гидрозолоудаления;

2. на основе многолетних наблюдений различных организаций и самого автора выполнен научный анализ изменений экосистемы природного водоема, используемого в качестве охладителя, за длительный период времени и установлены причины его деградации;

3. предложен интегральный метод оценки изменения состояния озера, позволивший выделить этапы деградации, условного перехода его из природного в природно-антропогенное состояние и показано, что при отсутствии мер по стабилизации антропогенной нагрузки на водоем-охладитель он в ближайшие годы может перейти в полностью антропогенное состояние;

4. предложен поэтапный подход к снижению антропогенной нагрузки на водоем-охладитель и научно-обоснованные технические решения по его восстановлению.

Научные положения выносимые на защиту

1. Предложенный метод интегральной оценки изменения состояния природно-технической системы «водоем-охладитель - ТЭС» по химическому составу вод за длительный период времени позволяет определить этапы и условные границы перехода данной системы из природного в природно-антропогенное состояние.

2. Термин «водохранилище» следует применять не только к искусственным водоемам, образованным водоподпорными сооружениями на водотоке с целью хранения воды и регулирования стока, но и к бывшим природным водоемам, включенным в технологические схемы крупных ТЭС, поскольку их природные черты режима весьма быстро утрачиваются и переходят в природно-антропогенные, определяемые технологическим режимом ТЭС.

3. Одним из способов стабилизации и последующего восстановления качества воды водоема-охладителя является разделение единой геоэкосистемы водоема на две - техногенную и коммунально-бытовую, с последующим проведением комплекса, технических и биологических мероприятий в обеих частях и на водосборах.

Практическая значимость.

1. Получены и обобщены сведения об изменении экосистемы оз. Кенон в г. Чите на втором этапе деградации (1995 - 2003 гг.)

2. Определены возможные пути снижения антропогенной нагрузки на водоем-охладитель и поэтапного восстановления его до природного состояния.

3. Результаты исследования использованы в разработке проекта нормативов предельно-допустимых вредных воздействий (ПДВВ) водоема-охладителя, при разработке новой редакции «Правил

эксплуатации оз. Кенон», а также для других исследований водных объектов г. Чита и в учебном процессе ЧитГУ.

4. Предложенный подход к оценке изменений состояния природного водоема при включении его в оборотную систему ТЭС может быть использован для других водоемов-охладителей.

Достоверность результатов исследования подтверждается длительностью рядов наблюдения за элементами режима водоема-охладителя, выполнявшимся по стандартным методикам специалистами ЗабУГМС, лабораториями ТЭС и хорошей сходимостью с ними и данными наблюдений других исследователей результатов экспериментальных наблюдений, проводившихся автором в последние годы, а также высокими коэффициентами корреляции расчетных зависимостей интегрального показателя с данными наблюдений.

Личный вклад автора состоит:

- в постановке целей и задач исследования;

- в предложенной комплексности подхода к оценке изменений, происходящих в водоеме-охладителе;

- в разработке плана натурных исследований на водоеме, их выполнении и научном анализе результатов с использованием предложенного интегрального показателя качества воды;

- в определении этапов деградации природного водного объекта, определении путей его восстановления, оценке их выполнимости, экономической эффективности и последствий.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на V Международном конгрессе «Вода: Экология и Технология» ЭКВАТЭК-2002, IV Международном симпозиуме «Чистая вода России - 2001» (Екатеринбург, 2001), V международной конференции «Акватерра - 2002» (Санкт-Петербург, 2002), экологических чтениях «Судьба озера Кенон» (г. Чита, 2002 г.), ежегодных научно-технических конференциях ЧитГУ в 1998-2003 г, на гидробиологическом семинаре ЧитГУ в 2004 году. По результатам исследования опубликовано 9 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений. Общий объем работы 118 страниц, в том числе 30 рисунков, 14 таблиц. Список литературы содержит 108 наименований.

Автор выражает признательность сотрудникам кафедры ВХИЭ ЧитГУ и особенно, к.т.н., доценту А.В. Соколову и к.т.н., доценту А.В. Шаликовскому за помощь работе.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, изложены цели и задачи исследования.

В первой с главе произведен анализ последствий антропогенных воздействий в целом на окружающую среду и на водные объекты в частности. Особое внимание уделено воздействию тепловых электростанций на водоемы-охладители.

Вопросами влияния ТЭС на окружающую среду и процессами деградации водоемов-охладителей ТЭС в разные годы занимались отечественные ученые: О.Ф. Васильев, Ю.С. Васильев, Л.В. Замана, М.Ц. Итигилова, A.M. Котельников, Л.И. Локоть, З.П. Оглы, А.Н. Попов, Л.А. Рихтер, А.Н. Скляревская, Л.И. Спиглазов, В.Г. Фарфоровский, М.П. Федоров, А.П. Чечель, Б.А. Шишкин, а также зарубежные ученые: H.R. Markland, В. Henderson-Sellers и другие.

Энергетика является базой для развития всех отраслей промышленности, транспорта и сельского хозяйства, оказывает значительное воздействие на окружающую среду. По сравнению с другими производствами энергетика наносит один из наибольших ущербов окружающей среде, как по общему воздействию на биосферу, так и по потреблению возобновимых и невозобновимых ресурсов. Взаимодействие электростанций с внешней средой определяется выбросами в атмосферу дымовых газов, тепловыми выбросами и сбросами загрязненных сточных вод.

Влияние ТЭС на атмосферу. Выбросы ТЭС - пыль, оксиды серы, азота, зола и другие вещества воздействуют на биосферу в районе расположения электростанции, подвергаются различным превращениям и взаимодействиям и затем осаждаются на прилегающую территорию, загрязняя ее, затем вымываются атмосферными осадками, загрязняя водные объекты и подземные водоносные горизонты.

Влияние ТЭС на литосферу заключается в загрязнении почвенного покрова твердыми частицами, оседающими из выбросов ТЭС, а также в отчуждении земель для размещения золоотвалов. Из котельных электростанций золошлаковые отходы удаляются гидравлическим путем. При этом сбросные воды системы ГЗУ загрязнены взвешенными веществами, имеют повышенную минерализацию и повышенную щелочность, в них содержатся соединения фтора, мышьяка, ртути, ванадия.

Влияние ТЭС на водные объекты. Современные электрические станции являются одними из крупнейших водопользователей. По объему сбросов вредных примесей ТЭС не относятся к числу предприятий, наиболее сильно загрязняющих водные объекты, однако со сточными водами в водные объекты сбрасывается широкая гамма вредных веществ, как органических, так и неорганических. Эта проблема усугубляется при использовании в качестве водоемов-охладителей ТЭС относительно небольших природных водоемов. Серьезной проблемой является тепловое загрязнение водоемов. ТЭС вызывает значительное изменение сложившегося гидротермического режима и химического состава воды

водного объекта, тем самым нарушаются взаимодействия в системе «энергетический объект - водоем-охладитель - водохозяйственный комплекс», проявляющиеся в виде различных вторичных изменений гидрохимического, гидробиологического, а, следовательно, и экономического характера. Одной из наиболее острых проблем для водоемов-охладителей ТЭС является их эвтрофикация вследствие теплового и химического воздействия.

В качестве источника технического водоснабжения принимаются водохранилища, водотоки, пруды-охладители. Так как на ТЭС вода используется в основном на охлаждение, то в условиях роста мощностей ТЭС в системах технического водоснабжения часто используются охладители различных типов, так называемые, комбинированные системы. В настоящее время такое водоснабжение имеют многие станции. По ряду причин, главной из которых является экономия денежных средств, в качестве водоемов-охладителей принимают природные водоемы (озеро Лукомльское, озеро Кенон и др.). В этом случае к проблемам искусственных водоемов-охладителей добавляется еще и нарушение водного, теплового и гидрохимического балансов и, как следствие, изменение водных экосистем.

В настоящее время существуют оценки деградации водоема по биологическим показателям, по температурной нагрузке, и по отдельным химическим компонентам, но так как водоем, как правило, испытывает комплексную нагрузку, то и оценивать антропогенное влияние требуется в комплексе, однако комплексного подхода к анализу изменения состояния водоемов-охладителей в настоящее время в литературе практически нет.

Тепловые электростанции, вводившиеся в действие до середины 80-х годов и использовавшие природные озера в качестве водоемов-охладителей, практически не имели технической защиты основной акватории озера от зоны влияния ТЭС.

С учетом такого подхода изменение состояния деградирующего водоема-охладителя должно быть комплексно оценено, и на основании такой оценки разработан план мероприятий по стабилизации и восстановлению водоема без сокращения выработки электроэнергии. Во второй главе рассмотрен комплексный подход к оценке изменения состояния водоема-охладителя и возможные пути решения проблемы деградации такого водоема.

Комплексный научный анализ изменения состояния водоема-охладителя включает в себя оценку в изменении водного, теплового и гидрохимического балансов водного объекта, а также изменений гидробиоценоза за период его использования в технологической схеме ТЭС. При этом необходимо учитывать все пути воздействия элементов и систем станции на водный объект, включая оборотную систему водоснабжения, гидрозолоудаления и сам золоотвал.

Использование природного водоема в качестве охладителя циркуляционной воды ТЭС приводит к увеличению расходной части водного баланса вследствие технологических потерь и увеличенного испарения с водной поверхности из-за сброса теплых вод.

Для выявления существующих параметров водоема и прогнозирования его развития при использовании в качестве охладителя воды необходим расчет его водного баланса. В связи с увеличением расходной части баланса возможно возникновение недостатка воды, в этом случае предусматривают подпитку охладителя водой другого водоисточника.

Изменение водного баланса водоема в различные периоды его эксплуатации в качестве охладителя по сравнению с природным состоянием позволяет определить изменение составляющих в питании озера.

В связи со сбросом в водоем-охладитель воды с повышенной температурой, происходит повышение температуры воды в самом водоеме на участке, прилегающем к водовыпуску ТЭС. По изменению термического режима можно судить о влиянии этого процесса на водный баланс и соответствующие изменения гидробиологических характеристик водоема.

Водоем-охладитель приобретает черты водохранилища, его уровенный режим зависит не только от природных факторов, но и от антропогенных (испарение, переброска свежей воды) факторов. Для водоема устанавливаются нормативные уровни (УМО, НПУ, ФПУ).

В водоеме-охладителе происходит изменение и гидрохимического режима. Оценка по отдельным показателям химического состава не дает возможности проследить динамику общего изменения качества вод водоема-охладителя. Необходим интегральный показатель, учитывающий изменение химического состава в совокупности по всем вносимым ТЭС веществам и соединениям. Комплексность учета загрязняющих веществ предлагается реализовать в виде матрицы формата «приращения массы по сравнению с исходным состоянием» - «год наблюдения».

Приращение масс вещества или соединения в году к

рассчитывается по формулам:

где - масса вещества или соединения в году

вещества или соединения до воздействия ТЭС (исходный год); Ук,Сл,

объем озера и концентрация /-го вещества или соединения в году

объем озера и концентрация /-го вещества или соединения в исходном

году.

Дти = тл-т1

■»»

л >

О)

(2)

(3)

Бальная оценка (Вл) прироста загрязнений по ьму веществу или соединению в году к производится через соотношение прироста масс к исходному состоянию водоема по формуле

По формулам (1) и (4) рассчитывается бальная оценка для п веществ зашлет.

Суммарный балл отражает изменение состояние водоема по гидрохимическому составу по сравнению с исходным состоянием. Увеличение суммарного балла указывает на относительное ухудшение состава, понижение балла - на возврат к его исходному состоянию.

Данная оценка позволяет выявить не только изменения в гидрохимическом состоянии водоема, но и основные загрязняющие вещества, значительно влияющие на гидрохимические показатели качества водоема.

Для применения интегрального показателя качества воды необходимы следующие исходные данные: батиграфические кривые водоема, наблюдения за уровнем водоема до и после начала воздействия, концентрации вносимых загрязняющих веществ.

Для выявления дополнительных источников загрязнения, а также для выявления наиболее загрязненных участков водного объекта следует использовать отбор проб на химический состав по акватории водоема с построением карт с изолиниями равных концентраций. Как правило, источниками загрязнения являются не только ТЭС, но и другие предприятия, городские застройки, поверхностный сток, места отдыха.

Поскольку ТЭС играет важную роль в развитии промышленности и в жизни населения, то приостановление ее работы или ликвидация невозможны. Ужесточение экономических санкций не в состоянии решить создавшуюся проблему. Поэтому в данном случае необходимо искать решение в подходе с позиции «развития без разрушения».

Согласно СанПиН 3907-85 водоемы-охладители не должны иметь водосбросов в акваторию основного водохранилища и должны быть отделены от основного водохранилища дамбами.

Фактически бывшие природные водные объекты, используемые в качестве водоемов-охладителей ТЭС, следует рассматривать как водохранилища, поскольку их режим обуславливается технологической схемой станции. При планировании мероприятий по стабилизации геоэкосистем таких водоемов следует учитывать указанный СанПиН.

В третьей главе изложенные выше подходы и идеи проиллюстрированы на конкретном водном объекте, служащим водоемом-охладителем ТЭС, - озере Кенон, расположенном в г. Чита.

До середины 60-х гг. прошлого века озеро практически не испытывало антропогенной нагрузки и по всем характеристикам соответствовало природному водоему. Изучение планов городской

застройки с 1960 по 1992 г., приводимое в работе, дает основания утверждать, что строительство ТЭЦ-1 в начале 60-х гг. дало толчок к развитию промышленного и жилищного строительства в районе озера Кенон. Со времени ввода в эксплуатацию ТЭЦ-1 в 1965 г. состав и свойства водных масс оз. Кенон, его водных экосистем и наземных ландшафтов его водосборной территории формируются, в основном, под влиянием разнообразных антропогенных воздействий. Для восполнения безвозвратных потерь воды с 1967 г. введена в действие подкачка воды в озеро из реки Ингода.

Для выявления источников загрязнения озера автором в 2000 г. проведено обследование его береговой линии. В ходе обследования в районе ТЭС обнаружено впадение в озеро ручья, отсутствовавшего в природном состоянии. Данные гидрохимических анализов позволяют предположить, что этот ручей является выклиниванием фильтрационных вод золоотвала.

Для выявления существующих параметров озера и выявления тенденции его развития был проведен расчет его водного баланса на различные периоды времени. Результаты расчетов представлены на рис. 1 и рис. 2. Из графиков видно, что с вводом в строй ТЭЦ-1 в 1965 г. значительно увеличилась расходная часть баланса за счет безвозвратного забора воды на нужды ТЭС и других водопотребителей и за счет увеличения испарения, а высокая водность озера обеспечивается частично за счет переброски воды, а также за счет осадков и изменения притока.

Рис. 1. Колебания приходных элементов водного баланса

Изменение водного баланса позволяет утверждать, что в последние годы неявную, но ощутимую долю притока составляют фильтрационные воды золоотвала ТЭС, которые привносят значительную часть химического загрязнения вод озера. Увеличение притока привело к возможности сокращения объемов подкачки.

Автором в течение четырех лет проводились замеры температуры воды в 12 точках по акватории озера. В ходе зимне-весенних наблюдений 2002-2003 гг. получены данные по развитию ледового покрова, очертаниям

незамерзающей полыньи, динамике процесса освобождения озера ото льда.

Под воздействием сброса подогретых вод естественный температурный режим озера претерпел изменения. На рис. 3 представлены данные по изменению среднемесячной температуры воды в теплый период времени за три временных периода (1940-1965 - до строительства ТЭС, 1966-1986 - после пуска ТЭС, 1987-1997 - после модернизации оборудования).

Рис. 3. Среднемесячная температура воды в оз. Кенон в теплый период года

Согласно исследованиям автора, температура сбросных вод в летний период достигает 39 °С, вместо 28 °С допустимых для рыбохозяйственных водоемов. Температура перекачиваемой из р. Ингоды воды в летний период на 1—2 °С ниже, чем температура воды в озере, таким образом «охлаждающая» роль подкачки крайне мала. В летний период зона термического влияния ТЭС охватывает треть водоема. Есть основания полагать, что рост среднемесячных температур воды в летний период с ростом мощности ТЭС будет продолжаться.

В рамках работы для выявления тенденций изменения химического состава воды озера под влиянием ТЭС были построены графики по среднегодовым концентрациям веществ с наложением на них предельных

значений концентраций (ПДК) для водоемов рыбохозяйственного значения.

В летний период 2000 - 2003 гг. производился отбор проб в восьми точках по акватории озера с целью выявить направление переноса загрязнений. От точки находившейся в трехстах метрах южнее ТЭС, были проложены три луча (рис. 5). Каждый год пробы отбирались четыре раза в теплый период года. Результатом обработки этих данных стали карты-схемы изолиний равных концентраций загрязняющих веществ, составленные с использованием программы Golden Software Surfer. Всего исследовались данные по 14 показателям, характерным для природного состояния озера и источников его антропогенного загрязнения. Такие схемы наглядно свидетельствуют о том, что наибольшая скорость разбавления наблюдается в районе ТЭС в результате перемешивания сбросных вод ТЭС с водами озера, и в районе южного берега (район подкачки), где происходит дальнейшее снижение концентраций за счет перемешивания с менее загрязненными по ряду веществ речными водами. Также был осуществлен отбор проб на гидрохимический анализ из притоков озера.

Проанализировав составленные автором графики, можно констатировать следующее.

1. До строительства ТЭС воды озера Кенон относились к гидрокарбонатному классу (концентрация гидрокарбонатов в 1966 г. составляла 310 мг/л, а сульфатов 40 мг/л) (рис. 4.).

зо 4-*=--■-----,-,-,-

1963 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000

год

ПДК сульфатов —»—концентрация сульфатов —концентрация гидрокарбоната

Рис. 4. Изменение концентраций сульфатов и гидрокарбонатов

С введением в строй ТЭС концентрация сульфатов начала резко расти и в 1970 г. достигла ПДК (100 мг/л), с 1983 г. концентрация сульфатов превысила концентрацию гидрокарбонатов. Концентрация гидрокарбонатов начала падать с 1968 г., что связано с введением подкачки вод из р. Ингода с более низким содержанием гидрокарбонатов. С введением второй очереди насосной станции подкачки в 1972 г. рост концентраций сульфатов на некоторое время замедлился в связи с разбавлением озерной воды водами реки. Однако с начала 80-х гг. концентрация сульфатов в озере вновь начала расти, что, вероятнее всего,

обусловлено нарушением к этому времени нормального режима работы системы галерей перехвата и увеличением поступления фильтрационных вод золоотвала в озеро. Этот поток стабилизировался лишь к началу 90-х гг.

Наибольшая концентрация сульфатов наблюдается в районе ТЭС, что объясняется использованием серной кислоты в процессе регенерации ионообменных смол и, в значительной степени, выклиниванием фильтрационных вод золоотвала, а наименьшая - в районе подкачки и впадения р. Кадалинка. (рис. 5).

2. Как выявлено автором, концентрация нефтепродуктов в озере стабильно выше ПДК (рис. 6). Нефтепродукты не являются естественной составляющей химического состава вод, поэтому повышенное их содержание следует полностью отнести на антропогенное загрязнение. На берегу озера находятся промышленные предприятия, населенные территории, железная дорога, Читинская нефтебаза. Таким образом, ТЭЦ является не единственным предприятием, вносящим загрязнение нефтепродуктами. Основная доля нефтепродуктов вносится, по данным исследования, с жилых и промышленных территорий.

Рис. 5. Распределение сульфатов по акватории озера в 2000 г.

1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000

Рис. 6. Изменение концентрации нефтепродуктов

3. В озере происходит постоянное увеличение концентраций солей жесткости и общая минерализация, а также концентраций хлоридов, что, несомненно, связано с технологией водоподготовки на ТЭС (рис. 7).

4. Для комплексной оценки влияния ТЭС на химический состав воды озера Кенон использовалась предложенная интегральная оценка изменения качества воды. Для каждого из загрязняющих веществ была определена его средняя масса в озере до строительства ТЭС. Для каждого последующего года было рассчитано относительное приращение масс (формулы 1 - 3) и определена бальная оценка (формула 4), по результатам которой был построен график (рис. 8).

Рис. 8. Среднее относительное приращение масс загрязняющих веществ

В первые пять лет эксплуатации озера наблюдалось накопление загрязнителей в озере, обусловленное отсутствием замкнутой системы гидрозолоудаления и сбросом осветленной воды в озеро. Затем наступает период временной стабилизации его состояния, чему соответствует введение в строй второй насосной станции подкачки и замкнутой системы гидрозолоудаления. С 1980 г. начался второй период увеличения масс загрязнителей, который объясняется начавшейся фильтрацией из золоотвала. Второй период стабилизации соответствует высокой естественной водностью периода и стабилизации фильтрационного притока. В 1997 г. начался третий период роста накопления загрязнений, обусловленный модернизацией оборудования ТЭС, а также тем, что

существующий золоотвал заполнен практически до проектной отметки и находится в предаварийном состоянии.

Тепловое и химическое загрязнение озера привело к его эвтрофированию. Для антропогенного эвтрофирования. характерны радикальные изменения в структуре зоопланктона и ихтиоценозе, которые выражаются в замене длинноцикловых и крупных форм на мелкие и короткоцикловые. Это приводит к повышению продуктивности водоема и увеличению биомассы животных, вместе с тем происходит замена ценных промысловых рыб малоценными, обладающими большой скоростью воспроизводства.

Для выделения этапов деградации озера использовались данные о количественных изменениях состояния озера за период 1965 - 2003 гг., указывающие на его качественный переход из природного (естественного) в природно-антропогенный водный объект. Эти данные позволяют констатировать, что в истории существования озера до сегодняшнего дня можно выделить три характерных этапа (рис. 9).

Природное Переходное Природно-антро- Антропогенное

состояние состояние погенное состояние состояние

1 этап 2 этап 3 этап 4 этап

-► -4-► ---X-

1965 1981 2006

(прогноз)

Рис. 9. Схема оценки состояния экосистемы оз. Кенон

До 1965 г. состояние экосистемы озера может характеризоваться, как природное, не изменявшееся на протяжении длительного периода времени, не подвергавшееся заметным антропогенным нагрузкам.

С момента ввода в действие первой очереди ТЭС и началом активного хозяйственного освоения водосбора озера его экосистема вошла в этап перехода от природного к природно-антропогенному состоянию. Временную границу завершения данного этапа и момент окончательного перехода озера в природно-антропогенное состояние точно определить сложно, поскольку в действующих нормативных документах и научной литературе количественные критерии оценки такого перехода отсутствуют. Однако анализ приведённых выше сведений об изменении характеристик экосистем озера позволяют считать такой границей 1980-1983 гг. В качестве границы был принят 1981 г. В подтверждение принятия такой границы следует указать следующее:

1) переход в 1981 - 1982 гг. вод озера из гидрокарбонатного в сульфатный класс.

2) начало резкого возрастания интегрального показателя поступления загрязняющих веществ и затухания процессов самоочищения озера (рис. 8). Если за период 1965 - 1981 гг. среднемноголетний интегральный

показатель приращения относительной массы загрязнений в озере изменялся от 0,5 до 1,5 и, в среднем, составлял около 1, то за период с 1985 по 2003 гг. он изменился в интервале 1,25 - 3,0 и, в среднем, составил более 2. Существенно изменились на границе 1981 г. концентрации основных ионов по отношению к общей минерализации воды (по данным ЗабУГМС).

3) после 1981 г. в озере началось резкое ухудшение состояния водной экосистемы, что констатировалось учёными ЧИПР СО РАН*. Уменьшилось видовое разнообразие диатомовых водорослей, увеличились показатели первичной продукции органических веществ, сократился видовой состав рыб и резко снизилась рыбопродуктивность и др.

4) к этому моменту времени значительно изменилась структура водного баланса озера, что привело к возможности использовать только одну станцию подкачки из р. Ингода. Очевидно, накопленные к этому моменту массы отходов в золоотвале и кольматация перехватывающих фильтрующиеся воды золоотвала скважин обусловили интенсивный приток фильтрационных вод из золоотвала в озеро.

5) рекреационная нагрузка на озеро к данному моменту времени достигла максимальных значений, что привело к скачкообразно усилившемуся засорению водосбора озера и ледового покрова в зимний период. Таким образом, с начала 80-х гг. озеро вошло в явно выраженное природно-антропогенное состояние. На основании изложенного 1981 г. предлагается считать условной границей перехода озера к природно-антропогенному состоянию.

В 90-х гг. ввиду падения промышленного и сельскохозяйственного производства, сокращения численности населения антропогенная нагрузка на озеро несколько снизилась, но до настоящего времени интегральный показатель привносимых загрязнений не опускался ниже 2,0. Согласно прогнозным расчетам, если не ограничить антропогенную нагрузку на озеро, то к 2006 - 2008 гг. оно может перейти в полностью антропогенное состояние и утерять все основные свойства природного объекта.

В четвертой главе автором предложен план мероприятий по стабилизации состояния озера. В рамках работы была рассмотрена система, подвергшаяся деградации. Поскольку ТЭС играет решающую роль в балансе энергосистемы города и области, то приостановление ее работы или ликвидация с целью восстановления экосистемы озера невозможны.

Основная идея, положенная в основу мероприятий по стабилизации и восстановлению озера, - разделение геоэкосистемы водоема на две: техногенную, выделенную в обособленное пользование ТЭС, и коммунально-бытовую, причем р. Ивановка и Кадалинка впадают в техногенную часть озера. При этом переток (фильтрация)

Экология городского водоема, - Новосибирск: Издательство СО РАН, 1998. - 260 с.

предусматривается только из коммунально-бытовой части водоема в техногенную, что обеспечит постепенную промывку за счет вытеснения солей и других загрязняющих веществ из коммунально-бытовой части и постепенное восстановление качества воды в ней до природного или близкого к нему состояния. Градиент уровней коммунально-бытовой и техногенной частей предотвратит грунтовую фильтрацию загрязнений из техногенной части под основанием дамбы (рис. 10).

Исходя из условий нормальной работы ТЭС были определены параметры частей озера и для каждой были рассчитаны водные балансы 5%, 95% - обеспеченности. В год с обеспеченностью приходных статей баланса 95% дефицит техногенной части составляет 23978 тыс. м3, коммунально-бытовой - 11347 тыс. м3, что суммарно меньше годового объема подкачки, производившейся с 1977 по 1980 гг. Для поддержания водности необходимо возобновить работу первой насосной станции.

Техногенный водоем / , Приролнмй 1 водоем

н, Ч/У • ¿у Нлр и.

Рис. 10. Схема технического решения по разделению водоема на две геоэкосистемы

В год 5%-обеспеченности избыток в техногенной части составляет 10862,9 тыс. м В основной части озера будет наблюдаться дефицит притока-2010 тыс. м3.

Фильтрационный расчет показал, что при разности уровней в техногенной и коммунально-бытовой частях 0,5 м и коэффициенте фильтрации к=0,4 м/сут (супесь) фильтрационный расход составит 58,3 тыс. м /сут, что соответствует производимой в настоящее время подкачке.

Произведенный расчет прогноза состояния коммунально-бытовой части показал, что концентрация сульфатов достигнет природного состояния за 7 лет, хлоридов - за 6 лет, будет наблюдаться снижение жесткости. Без проведения мероприятий по очистке перекачиваемой воды будет наблюдаться рост концентраций нефтепродуктов, азота нитритного и аммонийного, а также фосфатов.

Проект можно считать выполнимым по ряду причин: - рыбы, обитающие в озере, не используют притоки в качестве нерестилищ из-за их маловодности и сильной загрязненности.

- береговая линия техногенной части не используется для массового отдыха и не имеет жилых строений.

- расчет показал, что дефицит воды, возникающий в маловодный год, возможно восполнить за счет существующих сооружений.

- стоимость строительства составит около 15 млн. руб в ценах 2003 г.

В настоящее время ТЭЦ-1 платит за полный объем забранной воды

из природного источника, (схема водоснабжения считается прямоточной) и сброшенной в природный водный объект. Эта плата составляет около 35 млн. руб. в год. Перевод техногенной части водоема в обособленное пользование ТЭС позволит освободить последнюю от платы за забор воды и сброс загрязняющих веществ и направить эти средства на мероприятия по техническому перевооружению и сокращению вредных воздействий на техногенную геоэкосистему озера.

Помимо разделения озера необходимо проведение и других мероприятий, снижающих антропогенные воздействия на акваторию озера.

1. Организация поверхностного стока с селитебных территорий.

2. Очистка ложа озера от загрязненных отложений.

3. Биологические мероприятия.

4. Сокращение выбросов ТЭС загрязняющих веществ в атмосферу.

5. Создание водоохранных зон и зон санитарной охраны.

6. Систематический мониторинг и научное сопровождение.

Последний раздел является исключительно важным, поскольку

интегральная оценка изменения состояния водоема позволяет производить и корректировать прогнозную оценку качества воды. Для этого необходимо:

1. Продолжить наблюдения за изменением концентраций загрязняющих веществ в водоеме-охладителе, в этом случае наиболее важными будут показатели, предшествующие прогнозируемому периоду.

2. По каждому веществу с помощью кривой тренда определить концентрации за каждый год прогнозируемого периода.

3. Произвести расчет приращения масс загрязняющих веществ и бальную оценку состояния водоема.

4. Добавить полученные данные на график «годы - приращение масс» или «годы - бальная оценка».

5. Оценить полученный результат и уточнить прогноз на будущий период.

Предлагаемая методика после реализации плана мероприятий может быть применена для аналогичных водоемов, находящихся под воздействием антропогенных факторов.

Заключение

Представленная диссертация является научно-квалификационной работой, в которой на основании исследований, выполненных автором, содержится решение задачи по оценке изменений, происходящих в

природном водоеме, под воздействием технологической системы тепловой электростанции и других водопользователей и изложены научно -обоснованные технические решения по восстановлению геоэкосистемы такого водоема.

Основные выводы заключаются в следующем:

1.Установлено, что один из наибольших комплексов воздействий на природные водоемы оказывают предприятия энергетики. Под воздействием теплового и химического загрязнения происходит эвтрофирование водоемов-охладителей. Наибольшие проблемы возникают при использовании в качестве водоемов-охладителей природных водных объектов - озер. Они, фактически, превращаются в водохранилища.

2. За время использования в качестве водоема-охладителя оз. Кенон оно претерпело ряд существенных изменений: нарушился водный баланс, изменились ледовый режим и химический состав вод, наблюдается повышение температуры воды, что повлекло за собой изменение структурных и функциональных характеристик экосистемы.

3. Анализ водного баланса выявил значительное увеличение безвозвратных потерь, как на технологические нужды, так и на дополнительное испарение, а так же значительное увеличение скорости водообмена и увеличение притока фильтрационных вод золоотвала на втором этапе деградации водоема.

4. Выявлены нарушения норм по температуре сбросной воды в теплый период года, и, как следствие, увеличение среднемесячной температуры на 3,5 °С по сравнению с естественным состоянием.

5. Определено изменение химического состава вод. В озере наблюдается существенный рост концентраций сульфатов, солей жесткости, фторидов, биогенных веществ, определены источники их поступления.

6. Установлено три этапа деградации озера (1965 - 1968 гг., 1980 -1991 гг., 1996 - 2003 гг.) При этом условная граница перехода озера из природного в природно-антропогенное состояние с использованием предложенного интегрального показателя отнесена к 1981 - 1983 гг.

7. Предложено разделение геоэкосистемы водоема на две: коммунально-бытовую и техногенную, которая выделяется в обособленное пользование ТЭС. Намечено место расположения разделительной дамбы и ориентировочно рассчитана стоимость ее возведения. Предложено в комплексе и выполнение ряда других мероприятий, которые, по прогнозу, способны в течении 5-8 лет стабилизировать состояние без снижения выработки электроэнергии.

8. Результаты работы использованы при разработке проекта нормативов ПДВВ оз. Кенон и новой редакции «Правил эксплуатации оз. Кенон», а также в учебном процессе ЧитГУ.

Основные положения диссертации изложены в следующих опубликованных работах

1. Влияние тепловой электрической станции на водный баланс городского водоема // Материалы Ш международной конференции «Акватерра - 2000» - Санкт-Петербург, 2000. - С. 170-171. (в соавторстве).

2. Последствия использования естественного городского водоема в качестве пруда-охладителя // Материалы IV Международного симпозиума «Чистая вода России-2001». - Екатеринбург, 2001. - С. 83.

3. Изучение деградации городского водоема по данным мониторинга // Материалы IV Международного симпозиума «Чистая вода России-2001». - Екатеринбург, 2001. - С. 224-225. (в соавторстве)

4. Способ использования естественного водоема для нужд ТЭС и расчет параметров водоема охладителя // Материалы V международной конференции «Акватерра - 2002» - Санкт-Петербург, 2002. - С. 127-129.

5. Исследование негативных последствий влияния ТЭС на водный объект (на примере природного водоема оз. Кенон) // Материалы V международной конференции «Акватерра - 2002» - Санкт-Петербург,

2002. - С. 129-130. (в соавторстве)

6. Мероприятия по восстановлению и использованию техногенного городского водоема // Материалы V Международного конгресса «Вода: Экология и Технология» ЭКВАТЭК-2002. - Москва, 2002. - С. 85-86. (в соавторстве).

7. Анализ негативных последствий использования водного объекта в качестве водоема-охладителя и их устранение на примере оз. Кенон. // Водные ресурсы и водопользование. Сборник трудов Восточного НИИ комплексного использования и охраны водных ресурсов и кафедры водного хозяйства и инженерной экологии ЧитГУ - Екатеринбург-Чита,

2003. С. 115-124.

8. Евтрофирование городского водоема под влиянием тепловой электрической станции в условиях резко континентального климата. // Водное хозяйство России, том 6, № 2,2004. С. 163 - 175. (в соавторстве).

9. Водные ресурсы Читинской области: Реализация региональной водохозяйственной политики (1998-2003 гг.). - Екатеринбург-Чита, 2004. -105 с. (Глава «озеро Кенон», с 35 - 40.)

Лицензия ЛР № 020525 от 02.06.97 г. Сдано в производство 17.05.2004 г.

Уч.-изд. л. 1 Усл. печ. л. 1

Тираж 100 экз. Заказ № 57

Читинский государственный технический университет 672039, Чита, ул. Александрово-Заводская, 30

РИКЧитГУ

* f 0435

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Токарева, Ольга Юрьевна

ВВЕДЕНИЕ

1. Влияние предприятий теплоэнергетики на окружающую среду

1.1 Влияние деятельности человека на окружающую среду

1.2 Влияние ТЭС на атмосферу

1.3 Влияние ТЭС на литосферу

1.4 Влияние ТЭС на водные объекты

1.5 Источники технического водоснабжения теплоэлектростанций и проблемы их использования

1.6 Эвтрофикация водоемов-охладителей

2. Комплексный анализ изменения состояния водоема-охладителя и пути решения проблемы его деградации

2.1 Комплексная оценка изменения состояния водоема-охладителя

2.1.1 Численная оценка изменения водного баланса водоема- 31 охладителя

2.1.2 Оценка термального режима водоема-охладителя

2.1.3 Оценка изменений химического качества воды водоема- 34 охладителя

2.1.4 Оценка изменений водной экосистемы под воздействием ТЭС

2.2 Пути решения проблемы деградации водоема-охладителя

2.2.1 Интегральный показатель изменения качества воды для оценки 36 состояния водоема-охладителя

2.2.2 Определение направления переноса загрязнений транзитным 38 потоком

2.2.3 Основные мероприятия позволяющие снизить нагрузку на 39 водоем-охладитель

3. Изменение природного состояния озера Кенон в г. Чите под воздействием антропогенных факторов

3.1 Общие сведения об озере Кенон

3.2 Изменения в экосистеме озера Кенон под воздействием ТЭЦ

3.3 Освоение водосборной площади озера Кенон

3.4 Водный баланс озера Кенон и его изменение под воздействием 57 антропогенных факторов

3.5 Изменения в термическом режиме и наблюдения за ним

3.6 Изменения химического состава воды

3.7 Этапы изменений состояния озера 85 4. План мероприятий по снижению антропогенного воздействия на экосистему озера Кенон

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Комплексный анализ изменения состояния водоема-охладителя ТЭС и возможные пути его восстановления"

Актуальность темы исследований.

Экономическое развитие общества тесно связано с использованием природных ресурсов, как минеральных, так и энергетических. На современном этапе развития общества одной из ведущих проблем является обеспечение электроэнергией, поэтому имеется огромная потребность в энергетическом сырье. Энергетика является базой для развития всех отраслей промышленности, транспорта и сельского хозяйства оказывает значительное воздействие на окружающую среду. Производственный процесс на ТЭС связан с забором большого количества воды для охлаждения, и ее сбросом с измененными теплохимическими характеристиками в водные объекты. Особенно чувствительны к такому воздействию небольшие водоемы, в которых значительно ускоряются процессы эвтрофирования и происходит деградация водного объекта. При этом водоем переходит из природного в природно-антропогенное и далее в антропогенное состояние, теряя свои природные свойства. Этапы и стадии такого перехода до настоящего времени практически не изучены.

Вопросам влияния ТЭС на окружающую среду и процессам деградации водоемов-охладителей ТЭС в разные годы занимались отечественные ученые: О.Ф. Васильев, Ю.С. Васильев, J1.B. Замана, М.Ц. Итигилова, A.M. Котельников, Л.И. Локоть, З.П. Оглы, А.Н. Попов, Л.А. Рихтер, А.Н. Скляревская, Л.И. Спиглазов, В.Г. Фарфоровский, М.П. Федоров, А.П. Чечель, Б.А. Шишкин, а также зарубежные ученые: H.R. Markland, В. Henderson-Sellers и другие.

В настоящее время существует два подхода к решению проблем природопользования. Первый, основан исключительно на нормах и лимитах на использование природных ресурсов, что приводит к «сохранению без развития» [8], так как система экологических ограничений консервативна и может быть принята лишь в качестве временной меры.

Второй подход основан на формировании новых систем «Человек-Природа». Эта система может быть определена как взаимодействие природного и технического объектов в интересах использования и сохранения природной среды. В этом случае лимиты на использование природных ресурсов являются только способом регулирования. Этот подход может быть сформулирован как «развитие без разрушения» [8]. Второй подход может быть плодотворным и при оценке состояния природных озер, используемых в качестве водоемов-охладителей ТЭС, что до настоящего времени применялось не достаточно широко.

При этом должен быть выполнен комплексный анализ изменений экосистемы водоема-охладителя с учетом направлений отрицательного воздействия элементов и систем ТЭС на него и намечены пути стабилизации и восстановления этой экосистемы.

Таким природным водным объектом, включенным в водооборотную систему ТЭС с середины 60-х годов XX века является озеро Кенон в г. Чите. Это дает возможность опробовать предлагаемый подход на данном водоеме.

Тема исследования непосредственно связана с НИР кафедры водного хозяйства и инженерной экологии ЧитГУ.

Идея работы заключается в необходимости применения комплексного подхода к анализу изменений состояния природного водного объекта, включая водные, тепловые, гидрохимические и гидробиологические характеристики и определение условной границы перехода его в природно-антропогенное состояние, ориентируясь на которую следует планировать его поэтапную стабилизацию и восстановление.

Целью диссертационной работы является комплексная оценка состояния, выявление причин деградации водоема-охладителя ТЭС и разработка мероприятий по приостановлению этого процесса и дальнейшей стабилизации.

Задачи исследования:

1. На основе обзора научных исследований определить пути негативного влияния тепловых электростанций, их элементов и систем на окружающую среду. Определить подход к решению вопроса о восстановлении нарушенных таким воздействием водных экосистем.

2. Определить способы и методы оценки изменений водоемов-охладителей под влиянием ТЭС.

3. Предложить комплексный подход и соответствующий интегральный показатель, и на этой основе выполнить научный анализ изменений, произошедших в экосистеме конкретного водоема-охладителя.

4. На основе выполненного анализа определить этапы деградации водоема и границу перехода его из природного в природно-антропогенное состояние.

5. Определить возможные пути восстановления водоема до показателей, определяемых установленной границей.

Объектом исследований является водоем-охладитель циркуляционной воды ТЭС.

Методы исследований: в работе использован комплекс методов, включающий анализ данных научной литературы, длительных рядов наблюдений за водными, тепловыми и гидрохимическими характеристиками водоема, собственных натурных наблюдений автора и сопоставление их с данными других исследователей.

Для анализа данных использовались стандартные методики наблюдений, а для их обработки - программные средства обработки табличных данных: Microsoft Excel, программа расчета модуля выноса загрязняющих веществ, разработанная в ДП ФГУП ВостокНИИВХ с участием автора и Golden Software Surfer.

Научная новизна.

Решена задача по оценке изменения состояния водоема-охладителя ТЭС за длительный период времени и поэтапному его восстановлению, в частности:

1) предложен комплексный подход к оценке состояния водоема-охладителя, увязывающий изменение водных, тепловых и гидрохимических характеристик режима природного озера с влиянием на него технологических процессов ТЭС, включая системы охлаждения и гидрозолоудаления.

2) на основе многолетних наблюдений различных организаций и самого автора выполнен научный анализ изменений экосистемы природного водоема, используемого в качестве охладителя, за длительный период времени и установлены причины его деградации.

3) Предложен интегральный метод оценки изменения состояния озера, позволивший выделить этапы деградации, условного перехода его из природного в природно-антропогенное состояние и показано, что при отсутствии мер по стабилизации антропогенной нагрузки на водоем-охладитель он в ближайшие годы может перейти в полностью антропогенное состояние.

4) Предложен поэтапный подход к снижению антропогенной нагрузки на водоем-охладитель и научно-обоснованные технические решения по его восстановлению.

Научные положения выносимые на защиту:

1. Предложенный метод интегральной оценки изменения состояния природно-технической системы водоема-охладителя ТЭС по химическому составу вод за длительный период времени позволяет определить этапы и условные границы перехода данной системы из природного в природно-антропогенное состояние.

2. Термин «водохранилище» следует применять не только к искусственным водоемам, образованным водоподпорными сооружениями на водотоке с целью хранения воды и регулирования стока, но и к бывшим природным водоемам, включенным в технологические схемы крупных ТЭС, поскольку их природные черты режима весьма быстро утрачиваются и переходят в природно-антропогенные, определяемые технологическим режимом ТЭС.

3. Один из способов стабилизации и последующего восстановления качества воды водоема-охладителя заключается в разделении единой геосистемы водоема на две — техногенную и коммунально-бытовую с последующим проведением комплекса технических и биологических мероприятий в обеих частях и на водосборах.

Практическая значимость.

1. Получены и обобщены сведения об изменении экосистемы оз. Кенон в г. Чите на втором этапе деградации (1995 - 2003 гг.)

2. Определены возможные пути снижения антропогенной нагрузки на водоем-охладитель и поэтапного восстановления его до природного состояния.

3. Результаты исследования использованы в разработке проекта нормативов предельно-допустимых вредных воздействий (ПДВВ) водоема-охладителя, при разработке новой редакции «Правил эксплуатации оз. Кенон», а также для других исследований водных объектов г. Читы ив учебном процессе ЧитГУ.

4. Предложенный подход к оценке изменений состояния природного водоема при включении его в оборотную систему ТЭС может быть использован для других водоемов-охладителей.

Достоверность результатов исследования подтверждается длительностью рядов наблюдения за элементами режима водоема-охладителя, выполнявшимся по стандартным методикам специалистами ЗабУГМС, лабораториями ТЭС и хорошей сходимостью с ними и данными наблюдений других исследователей результатов экспериментальных наблюдений, проводившихся автором в последние годы, а также высокими коэффициентами корреляции расчетных зависимостей интегрального показателя с. данными наблюдений.

Личный вклад автора состоит: — в постановке целей и задач исследования

- в предложенной комплексности подхода к оценке изменений, происходящих в водоеме-охладителе

- в разработке плана натурных исследований на водоеме, их выполнении и научном анализе результатов с использованием предложенного интегрального показателя качества воды

- в определении этапов деградации природного водного объекта, определении путей его восстановления, оценке его выполнимости, экономической эффективности и последствий.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на V Международном конгрессе «Вода: Экология и Технология» ЭКВАТЭК-2002, IV Международном симпозиуме «Чистая вода России - 2001» (Екатеринбург, 2001), V международной конференции «Акватерра - 2002» (Санкт-Петербург, 2002), экологических чтениях «Судьба озера Кенон» (г. Чита, 2002 г.), ежегодных научно-технических конференциях ЧитГУ в 1998-2003 г, на гидробиологическом семинаре ЧитГУ в 2004 году. По результатам исследования опубликовано 9 печатных работ.

Заключение Диссертация по теме "Геоэкология", Токарева, Ольга Юрьевна

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Представленная диссертация является научно-квалификационной работой, в которой на основании исследований, выполненных автором, содержится решение задачи по оценке изменений, происходящих в природном водоеме под воздействием технологической системы тепловой электростанции и других водопользователей и изложены научно-обоснованные технические решения по восстановлению экосистемы такого водоема.

Проведенный обзор литературных источников, показал, что наибольшее антропогенное влияние испытывают на себе водные объекты, особенно водоемы. Существенный комплекс воздействий на водоемы оказывают предприятия энергетики в том числе ТЭС. Под воздействием теплового и химического загрязнения происходит ускоренное эвтрофирование водоемов-охладителей. Наибольшие проблемы возникают при использовании в качестве водоемов-охладителей природных водных объектов - озер.

В настоящее время существуют оценки деградации водоема по биологическим показателям, по температурной нагрузке, и по отдельным химическим компонентам, но так как водоем, как правило, испытывает комплексную нагрузку, то и оценивать антропогенное влияние требуется в комплексе, также в комплексе предлагается рассматривать ТЭС, ее системы (охлаждения, гидрозолоудаления и др.) и элементы как единого водопотребителя.

В настоящий момент не существует комплексной методики оценки состояния водоема. Предложенная интегральная, оценка химического загрязнения позволяет выявить не только изменения в гидрохимическом состоянии водоема, но и основные загрязняющие вещества. Отбор проб по лучам позволяет определить направление переноса загрязняющих веществ, а карты-схемы полученные при обработке данных дают возможность выявить наиболее загрязненные участки водоема, дополнительные источники загрязнения.

Интегральная оценка химического загрязнения позволяет прогнозировать состояние водоема при выполнении плана мероприятий.

Предложенная методика была применена при оценке состояния крупного городского водоема оз. Кенон находящегося под влиянием тепловой электрической. За время использования в качестве водоема-охладителя оз. Кенон претерпело ряд существенных изменений: в водоеме нарушился водный баланс, изменились ледовый режим и химический состав вод, наблюдается повышение температуры воды, что повлекло за собой изменение структурных и функциональных характеристик экосистемы, что свидетельствует о неблагополучии данного водоема.

Усиление антропогенного влияния на водоем привело к тому, что здесь все чаще отмечаются такие негативные явления, как цветение воды, повышение содержания токсических веществ, массовая гибель рыбы и др. Все это потребовало более глубокого, детального изучения антропогенного воздействия на все компоненты водной экосистемы, определения более тесных количественных связей и зависимостей, разработки конкретных мероприятий по приостановлению дальнейшей деградации и улучшению состояния озера, а также прогноза реализации этих мероприятий.

Для выявления конкретных причин деградации озера Кенон и разработки мероприятий по приостановлению ухудшения состояния водоема и последующей его стабилизации были в комплексе проанализированы существующие параметры озера и выявлены тенденции их изменения во времени.

При анализе рассчитанного помесячно водного баланса выявлено значительное увеличение безвозвратных потерь, как на технологические нужды, так и на дополнительное испарение, а так же значительное увеличение скорости водообмена, что связано с подкачкой. Также удалось численно оценить подземный приток из золоотвала.

Для изучения теплового режима озера в течении трех лет проводились измерения температуры воды в 12 точках, производились наблюдения за ледовыми явлениями. Выявлены нарушения норм по температуре сбросной воды в теплый период годы, и как следствие увеличение среднемесячной температуры на 3,5 °С по сравнению с естественным состоянием.

Для изучения гидрохимического режима озера производился анализ данных химической лаборатории ТЭС, кроме этого в течение четырех лет проводились отборы гидрохимических проб в восьми точках на акватории и построены карты-схемы распределения загрязняющих веществ по акватории озера.

Проведенные исследования доказали связь ускоренного эвтрофирования озера с антропогенной деятельностью на его водосборе, в частности с работой ТЭС, которая использует озеро в качестве водоема-охладителя, а также позволили определить этапы его деградации и условную границу перехода озера из природного в природно-антропогенное состояние.

Для решения проблемы деградации озера и его последующего восстановления без ликвидации ТЭС и приостановки ее работы было предложено разделение водоема на две части: коммунально-бытовую и техногенную, которая выделяется в обособленное пользование ТЭС. Намечено место расположения разделительной дамбы и ориентировочно рассчитана стоимость ее возведения.

Проект можно считать выполнимым по ряду причин:

- в настоящее время в озере обитает шесть видов рыб, которые не используют притоки в качестве нерестилищ из-за их маловодности в весенний период и сильной загрязненности.

- береговая линия техногенной части не используется для массового отдыха и не имеет жилых строений.

- расчет показал, что дефицит воды, возникающий в маловодный год, возможно, восполнить за счет существующих сооружений.

- был произведен расчет стоимости сооружения разделительной дамбы с защитной каменной наброской по укрупненным показателям. Стоимость строительства составит 15 млн. руб.

Помимо разделения озера необходимо предусмотреть очистку поверхностного стока от биогенных веществ для предотвращения цветения воды и проводить вселение растительноядных рыб, а также и другие мероприятия, в том числе необходимы дальнейшие исследования по гидрогеологии биологии, а также регулярный мониторинг за состоянием озера.

С использованием комплексной оценки состояния озера был сделан прогноз его состояния для двух случаев, при проведении предложенных мероприятий и при их отсутствии. При отсутствии мероприятий состояние озера существенно ухудшится. Результаты работы использованы при разработке проекта нормативов предельно допустимых вредных воздействий на водные объекты, «Правил эксплуатации озера Кенон». Примененный в работе подход может быть использован для оценки состояния водоемов, нагруженных как предприятиями энергетики, так и другими видами использования.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Токарева, Ольга Юрьевна, Чита

1. Акимова Т.А., Хаскин В.В. Экология. Человек Экономика - Биота - Среда - М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2000. - 566 с.

2. Банников А.Г., Вакулин A.A., Рустамов А.К. Основы экологии и охрана окружающей среды. М.: Колос, 1999. - 304 с.

3. Борисенко В.М., Вологдин М.П. Годовой термический цикл озера Кенон (водоема-охладителя ГРЭС). / Климат и гидрография Забайкалья. Выпуск 1. -Чита, 1972.-с 34-35.

4. Будыко М.И. Испарение в естественных условиях. Д.: Гидрометеоиздат, 136 с.

5. Васильев О.Ф., Квон В.И. О теоретическом описании гидротермических явлений в водоемах-охладителях. / Проблемы теплофизики и физической гидродинамики. Новосибирск: Наука, 1975. с 100- 111.

6. Васильев Ю.С., Федоров М.П., Блинов Л.Н. / Подготовка кадров по экологической безопасности в СПбГПУ. // Безопасность жизнедеятельности. 2003 №6.-с38-43.

7. Викулина З.А. Водный баланс озер и водохранилищ Советского союза. Д.: Гидрометеоиздат, 1974. - 175 с.

8. Ю.Владимирова З.Ф. Водная растительность и ее регулирование в водоеме-охладителе Читинской ГРЭС оз. Кенон. / Охрана природы, воспроизводство естественных ресурсов // Тезисы докладов к научной конференции Чита, 1979.-с 113-114.

9. П.Владимирова З.Ф. Флора озера Кенон. / Вопросы географии и биологии Забайкалья. // Ученые записки. Выпуск № 19. Чита: Читинский государственный педагогический институт им. Н.Г. Чернышевского, 1968. -с 116-122.

10. Водосбор. Управление водными ресурсами на водосборе /Под научн. Ред. Черняева A.M.; РосНИИВХ. Екатеринбург: Изд-во "Виктор", 1994. - 160 с.

11. Вологдин М.И. Натурные исследования гидротермического режима водоема-охладителя Читинской ГРЭС. / Термический режим и Биология озера Кенон. // Записки Забайкальского филиала географического общества. Выпуск LXII. Чита, 1972. - с 16 - 23.

12. Н.Волкова Г.Б., Квон В.И., Филатова Т.Н. Трехмерная модель течений и переноса тепла и ее реализация на примере подогреваемого оз. Лукомльского. /Динамика и термика рек и водохранилищ. М.: Наука, 1984. -с 247-262.

13. Вольфцун И.Б. Расчеты элементов баланса грунтовых вод. На основе гидрометеорологической информации. Л.: Гидрометеоиздат, 1972. - 272 с.

14. Вронский В.А. Прикладная экология. Ростов-на-Дону: Феникс, 1996. 512 с.

15. Горлачев В.П. Влияние режима эксплуатации водоемов на качество воды. / Охрана природы, воспроизводство естественных ресурсов // Тезисы докладов к научной конференции Чита, 1979. - с 55 - 56.

16. ГОСТ 17.1.1.01-77 Охрана природы. Гидросфера. Использование и охрана вод. Основные термины и определения

17. Природоохранные нормы и правила проектирования. Справочник /Сост.: Максименко Ю.Л., Глухарев В. М.: Стройиздат, 1990. 527 с.

18. Давыдов Л.К., Дмитриева A.A., Конкина Н.Г. Общая гидрология. Л.: Гидрометеоиздат, 1973. - 462 с.

19. Данилов-Данильян В.И., Лосев К.С. Экологический вызов и устойчивое развитие. М.: Прогресс-Традиция, 2000. -416 с.

20. Демидов В.Н. Двумерная модель стекания воды по поверхности водосбора. // Труды Гидрометцентра СССР, 1975, вып. 168. С. 3 — 15.

21. Демидов В.Н., Корень В.И. Расчет Склонового стока по двумерной модели с учетом инфильтрации. // Труды Гидрометцентра СССР, 1977, вып. 183. С. 4-9.

22. Демидов В.Н., Кучмент Л.С. Двумерная гидродинамическая модель стекания воды по водосбору и ее численная реализация. / Водные ресурсы, 1975, вып. 1.-С. 168-179.

23. Доманицкий А.П., Дубровина Р.Г., Исаева А.И. Реки и озера Советского Союза /Справочные данные. Л.: Гидрометеоиздат, 1971. - 104 с.

24. Евтушенко Н.Ю., Кукля И.Г. Сезонные изменения концентраций макро- и микроэлементов в водоеме-охладителе тепловой электростанции. / Экологические проблемы в энергетике. // Сборник научных трудов. М., 1989.-с 191-196.

25. Железняков Г.В. Гидрология и гидрометрия. М.: Высшая школа, 1981. -263 с.

26. Железняков Г.В., Неговская Т.А., Овчаров Е.Е. Гидрология гидрометрия и регулирование стока. М.: Колос, 1984. - 205 с.

27. Иванов А.В. Озерно-гидрохимическое районирование Забайкалья и вопросы использования и охраны водоемов. / Охрана природы, воспроизводство естественных ресурсов // Тезисы докладов к научной конференции Чита, 1979.-с 53-54.

28. Итигилова М.Ц. и др. Современная гидробиологическая характеристика оз. Кенон. / География и экология Забайкалья. Чита, 1994. — с 53 - 56.

29. Канцибер Ю.А. О многолетних колебаниях температуры воды озера Кенон. / Известия Забайкальского филиала географического общества СССР. Том VIвыпуск 2. Чита, 1970. - с 65 - 70.

30. Кассандрова О.Н., Лебедев В.В. Обработка результатов наблюдений. М.: Наука, 1970. 104 с.

31. Катанская В.М. Растительность водохранилищ-охладителей тепловых электростанций Советского Союза. Л.: Наука, Ленинградское отделение, 1981.-186с.

32. Качаева М.И. О фитопланктоне озера Кенон. / Материалы XX научной конференции. //Тезисы докладов Чита, 1968. - с 142 - 144.

33. Константинов А.Р. Испарение в природе. Л.: Гидрометеоиздат, 1968. - 532 с.

34. Кормилицын В.И., Цицкишвили М.С., Яламов Ю.И. Основы экологии. — М.: Интерстиль, 1997. 368 с.

35. Коробкин В.И., Передельский Л.В. Экология. Ростов-на-Дону: Феникс, 2001.-576 с.

36. Куклев Ю.И. Физическая экология. М.: Высшая школа, 2001. - 357 с.

37. Курбатова Г.П., Шишкин Б.А. Об интенсивности взаимодействия поверхностных и подземных вод в озере Кенон. / Климат и гидрография Забайкалья. Выпуск 1. Чита, 1972. - с 32 — 33.

38. Кучмент Л.С., Трубихин H.A. Двумерная модель формирования стока на водосборе, основанная на уравнениях кинематической волны. // Труды Гидрометцентра СССР, 1977, вып. 183. С. 21 28.

39. Кучмент Л.С., Трубихин H.A. К численной реализации двумерной модели кинематической волны при сложной топографии водосбора. // Труды Гидрометцентра СССР, 1978, вып. 207. С. 102 107.

40. Лабораторные гидротермические исследования озера Кенон. Львов: ОРГРЭС Южное отделение, МЭС СССР, 1958. 77 с.

41. Линсей Р.К., Колер M.A. Паулюс Д.Л.Х. Прикладная гидрология. Л.: Гидрометеоиздат, 1962. - 759 с.

42. Лунев В.А. Планирование и обработка технологического эксперимента. Л.: ЛПИ, 1985.-84 с.

43. Львович А.И. Защита вод от загрязнения. Л.: Гидрометеоиздат, 1973. — 168 с.

44. Мазур И.И., Молдованов О.И. Курс инженерной экологии. М.: Высшая школа, 1999-448 с.

45. Макаров А.И., Смирнова М.И. Принципы технико-экономических и эколого-экономических оценок использования комплексных водохранилищ теплоэнергетикой. / Проблемы технического водоснабжения мощных ТЭС и

46. АЭС. // Труды координационных совещаний по гидротехнике. Выпуск 115.Л.: Энергия, 1977. с 15 - 19.

47. Мартынов О.И., Седлов A.C., Потапкина Е.И., Гронский Р.К. Проблемы безотходного водопользования на ТЭС и пути их решения./ Экологические проблемы в энергетике. // Сборник научных трудов. М.: 1989. с 173 - 178.

48. Математическое моделирование в управлении водными ресурсами /Под ред. Пряжинской В.И. М.: Наука, 1988. - 247 с.

49. Методические рекомендации к расчету водохранилищ-охладителей. Л.: ВНИИГ, 1976.-56 с.

50. Методические указания Управлениям Гидрометслужбы № 89. Л.: Гидрометеоиздат, 1974.

51. Методы расчета водных балансов. Международное руководство по исследованиям и практике. /Под ред. Соловьева A.A., Чаплина Т.Г. Л.: Гидрометеоиздат, 1976. - 183 с.

52. Методы изучения и расчета водного баланса. Л.: Гидрометеоиздат 1981.

53. Мяэмэтс A.A. Изменение высшей водной растительности. /Антропогенное воздействие на малые озера. Л.: Наука, Ленинградское отделение, 1980. С 77 -86.

54. Петров K.M. Общая экология. Санкт-Петербург; Химия, 1998 - 352 с.

55. Покровский В.Н., Аракчеев Е.П. Очистка сточных вод тепловых электростанций. М.: Энергия, 1980. - 256 с.

56. Попов А.Н., Браяловская В.Л. Методология выбора мероприятий по восстановлению евтрофированных водоемов. / Водное хозяйство России, том 3, № 3, 2001. с 290 297.

57. Правила охраны поверхностных вод: Типовые положения: Утв. Госкомприродой СССР 21.02.91 г. -М., 1991. -34 с.

58. Протасов В.Ф., Молчанов A.B. Экология, здоровье и природопользование в России. М.: Финансы и статистика, 1995. - 528 с.

59. Протасов В.Ф. Экология, здоровье и охрана окружающей среды в России. — М.: Финансы и статистика, 2000. 672 с.

60. Пряжинская В.Г. Математическое моделирование в водном хозяйстве. М.: Наука, 1982.-112 с.

61. Пучков Л.А., Воробьев А.Е. Человек и биосфера: вхождение в техносферу. — М.: Издательство Московского государственного горного университета, 2000. -342 с.

62. Пырина И.Л., Девяткин В.Г., Елизарова B.A. Экспериментальное изучение влияния подогрева на развитие и фотосинтез фитопланктона. /Антропогенные факторы в жизни водоема. // Труды выпуск № 30. Л.: Наука, 1979. - с 67 - 84.

63. Радкевич В.А. Экология: краткий курс. Минск: Высшая школа, 1983. 320 с.

64. Рихтер Л.А., Волков Э.П., Покровский В .П. Охрана водного и воздушного бассейнов от выбросов тепловых электростанций. М.: Энергоиздат, 1981. — 296 с.

65. Роганков М.П., Сапаров М.И. Эколого-экономическая оценка работы ТЭС. /Экологические проблемы в энергетике. // Сборник научных трудов. М., 1989.-с 179- 184.

66. Рыжкин В.Я. Тепловые электрические станции М-Л.: Энергия, 1967. - 400 с.

67. СанПиН 3907-85 «Санитарные правила проектирования, строительства и эксплуатации водохранилищ». М.: 1986

68. Серант Ф.А. Тепловые станции Сибири (экологические проблемы). / Энергетика и экология. // Сборник научных трудов. Новосибирск, 1988. - с 23-25.

69. СНиП 2.01.14 83. Определение расчетных гидрологических характеристик. М.: Стройиздат, 1985.

70. СНиП 2.06.05-84. Плотины из грунтовых материалов. М.: АППЦИТП, 1981.

71. СНиП 2.06.01-86. Гидротехнические сооружения. Основные положения проектирования. М.: ЦИТП, 1987.

72. Спиглазов Л.И. О содержании сульфидов в грунтах озера Кенон. / Лимнологические исследования в Забайкалье. — Чита: Редакционно-издательский сектор Забайкальского филиала географического общества СССР, 1973.-с 110-112.

73. Технические указания к расчету прудов-охладителей. М.: Госэнергоиздат, 1963. - 105 с.

74. Указания по расчету испарения с поверхности водоемов. Л.: Гидрометеоиздат. 1969.

75. Цыганок В.И. О влиянии водохранилища гидрозолоотвала Читинской ГРЭС на окружающую среду. / Охрана природы, воспроизводство естественных ресурсов // Тезисы докладов к научной конференции Чита, 1979. - с 65 -66.

76. Чеботарев А.И. Общая гидрология. Л.: Гидрометеоиздат, 1975. 544 с.

77. Чечель А.П. Об оценке подземной составляющей водного баланса оз. Кенон. / География и экология Забайкалья. Чита, 1994. - с 56 - 58.

78. Чечель А.П. Водный баланс оз. Кенон и его особенности. / География и экология Забайкалья. Чита, 1994. - с 58 - 61.

79. Шишкин Б.А. и др. Основные черты гидрохимического режима озера Кенон. / Лимнологические исследования в Забайкалье. — Чита: Редакционно-издательский сектор Забайкальского филиала географического общества СССР, 1973.-с 13-27.

80. Шишкин Б.А., Локоть Л.И. Режим биогенных элементов и продукция фитопланктона озера Кенон. / Лимнологические исследования в Забайкалье. Чита: Редакционно-издательский сектор Забайкальского филиала географического общества СССР, 1973. - с 29 - 48.

81. Эволюция круговорота фосфора и эвтрофирование природных вод. / под ред. Кондратьева К.Я., Коплан-Дикс И.С. Л.: Наука, 1988. 206 с.

82. Экология городского водоема. / Итигилова М.Ц., Чечель А.П., Замана Л.В. и др. Новосибирск: Издательство СО РАН, 1998. - 260 с.

83. Экосистемы в критических состояниях. / под ред. Пузаченко Ю.Г. М.: Наука, 1989.-155 с.

84. Chen G.L., Chow V.T. Formulation of mathematical watershed model. J. Eng. Mech. Div. Proc. ASCE, 1971, June, p. 211 252.

85. Chow V.T. Handbook of hydrology, Washington, ch. XIV, 1965.

86. Chow V.T. Ben-Zwi A. Hydrodinamic modelling of two-dimensional watershed flow. J. Hydr. Div. Proc. ASCE, 1973, V. 99, HY 11, p. 2020 - 2043.

87. Henderson-Sellers В., Markland H.R. Decaying Lakes. The Origins and Control of Cultural Eutrophication. New York: John Wiley & Sons, 1986. - 270 P.

88. Miller E.G. Evaporation from free water surface. Canad. Mem., 1937, vol. 1, №2.