Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Оптимизация системы водоохранных мероприятий в бассейне реки с учетом эколого-экономических факторов

ВАК РФ 25.00.36, Геоэкология

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Варнаков, Алексей Николаевич

Введение

Глава 1. Литературный обзор. Эколого-географическое описание бассейна р. Прони

1.1. Физико-географическое описание бассейна. Природно-климатические и геологические особенности

1.2. Система наблюдений за водными объектами в бассейне Прони

1.3. Оценка состояния водных систем при воздействии природных и антропогенных факторов

Глава 2. Гидрохимическая характеристика рек бассейна р. Прони

2.1. Общая характеристика

2.2. Комплексная оценка качества

Глава 3. Оценка антропогенных воздействий в бассейне п. Прони

3.1. Характеристика основных источников антропогенной нагрузки в бассейне Прони

3.2. Водохозяйственное районирование и приоритетные источники загрязнения водных объектов бассейна р. Прони

Глава 4. Выбор оптимальной системы водоохранных мероприятий в бассейне

4.1. Объекты оптимизации

4.2. Выбор системы водоохранных мероприятий с учетом эколого-экономических требований

4.3. Исходные данные для оптимизации водоохранных мероприятий в бассейне Прони

Выводы

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Оптимизация системы водоохранных мероприятий в бассейне реки с учетом эколого-экономических факторов"

Водоохрана средних рек является одной из приоритетных проблем водного хозяйства. Общепринятой является следующая классификация рек: малые - до 100 км, средние - 101-500 км, большие - более 500 км [1,2].

Средние реки во многих случаях имеют более высокий уровень удельной антропогенной нагрузки (в отношении к среднему расходу или на единицу площади бассейна), чем крупные реки, и относительно меньший потенциал самоочищения, который обычно пропорционален среднему расходу в наиболее напряженный гидрологический период. Это объясняется тем, что в большинстве регионов России средние реки исторически являлись фактором, консолидирующим территориально-хозяйственный комплекс. Это значение средние реки в настоящее время потеряли, однако хозяйственные комплексы продолжают функционировать, оказывая сильное воздействие на состояние бассейнов. Дополнительные трудности связаны с относительно меньшей изученностью таких водных объектов: как правило, на средних реках располагается небольшое количество створов регулярных наблюдений.

Крупные речные бассейны являются, как правило, объектами «федерального значения»: обычно эти водные объекты расположены на территориях нескольких субъектов Федерации; вследствие комплексного использования крупные реки являются объектом интересов и наблюдений множества ведомств: природоресурных, энергетических, санитарных, рыбохозяйственных и пр.; они являются объектами научных исследований; наконец, к ним приковано внимание общественности. Для большинства бассейнов крупных рек разработаны соответствующие межсубъектные программы.

Средние реки лишены этих преимуществ. Они, как правило, расположены на территории одного субъекта Федерации и поэтому «судьба» средней реки обычно волнует жителей относительно небольшой части России.

В то же время важность таких водных объектов для жизни большой части населения России продолжает оставаться значительной. Они являются источниками водных ресурсов для промышленных, сельскохозяйственных и коммунальных объектов, имеют большой рекреационный потенциал, являются своеобразным «скелетом» гидрографической сети бассейнов больших рек.

Наконец, средние реки имеют несомненное культурно-историческое значение. Восстановление средних и малых водных объектов - важная часть возрождения России.

Река Проня - типичный представитель категории средних рек России. Это правый приток р. Оки. Основными притоками р. Прони являются Ранова и Кердь, из притоков р. Рановы - реки Хупта, Мостья, Верда, Полотебня.

Верховье р. Прони расположено на юго-востоке Московской области и востоке Тульской области. Верховье р. Рановы - на севере Липецкой области, остальная часть бассейна р. Прони - на юго-западе Рязанской области, на которую приходится 96% площади бассейна.

Основные проблемы бассейна р. Прони являются типичными для регионов, расположенных на территории Волжского бассейна. Это стабилизация региональной экологической ситуации, а также проблемы, связанные с повышением эффективности всего хозяйства Пронского бассейна, причем улучшение социально-экономического положения должно достигаться экологически приемлемым образом, путем снижения антропогенного воздействия на окружающую природную среду и, в особенности, - на водные экосистемы. Актуальность решения этих вопросов подчеркнута в Федеральной целевой программе «Возрождение Волги» и региональной программе «Бассейновое соглашение о совместном использовании и охране водных ресурсов».

Для решения проблем экономического роста в условиях неухудшения экологической обстановки в бассейне необходима научно обоснованная стратегия водоохранных мероприятий, которая должна быть реализована следующими этапами:

• по многолетним данным экологического мониторинга дать оценку экологического состояния бассейна Прони с целью выделения участков с наиболее высоким уровнем нагрузки;

• собрать, оценить наиболее существенные факторы нагрузки и приоритетные источники загрязнения водных объектов (как точечные, так и диффузные) в настоящее время, ранжировать их по уровню экологической нагрузки;

• на основе обобщенных данных по эколого-экономической эффективности тех или иных водоохранных мероприятий разработать и оценить наиболее эффективную программу водоохраны в бассейне.

Проблемам водоохраны посвящены работы широкого круга ученых и специалистов: А.Б.Авакяна, И.П.Айдарова, А.Е.Асарина, С.Л.Вендрова, В.И. Данилова-Данильяна, В.С.Каминского, К.С.Лосева, А.П.Нечаева, ДЛ.Ратковича, C.B.Яковлева и многих других [1-15]. В этих работах рассмотрены физико-географические, гидрологические, экологические, технологические проблемы водоохраны. На сегодняшний день нельзя говорить о существовании достаточно обоснованной системы научно-методических подходов по экономической и одновременно экологической оценке программ водоохранных мероприятий.

Существующая система мониторинга в бассейне не дает возможности получить необходимую для принятия управленческих решений надежную и объективную информацию об экологическом состоянии водной системы и о характере воздействия на нее природных и антропогенных факторов.

Экологическое состояние бассейна Прони в конце 80-х - начале 90-х годов оценивалось как напряженное. В 90-х годах вследствие резкого падения промышленного производства и уменьшения интенсивности сельского хозяйства экологическое состояние улучшилось, хотя вследствие общего ухудшения состояния природоохранной деятельности в России снижение антропогенной нагрузки было неадекватным снижению уровня экономики.

Большинство предприятий как в промышленном, так и сельскохозяйственном секторах сохранили производственные мощности и в связи с началом роста экономики в начале XXI века возникла опасность резкого ухудшения экологической обстановки в бассейне.

Эта опасность усугубляется тем, что в условиях общего ослабления мониторинговых и контрольных функций экологических служб в России вообще и в Рязанской области, в частности, экономический рост в последние 2-3 года происходит на фоне определенного отставания уровня и эффективности природоохранных мероприятий, в частности, водоохраны от необходимых затрат.

Существенным является необходимость выработки стратегии водоохраны в условиях начавшегося экономического роста, поскольку без принятия соответствующих мер этот рост может привести к катастрофическому ухудшению экологической ситуации в бассейне.

Совокупность этих основных задач позволяет сформулировать основную цель настоящей работы: разработка методических основ оценки и выбора наиболее эффективных по эколого-экономическим показателям программ снижения антропогенной нагрузки в бассейне реки (на примере бассейна р. Прони).

Для достижения цели необходимо решить следующие основные задачи:

• по многолетним данным экологического мониторинга оценить участки р. Прони и ее притоков с наиболее высоким уровнем экологического риска;

• выявить современные региональные особенности природных и антропогенных факторов формирования состава воды и установить порядок приоритетности в ряду факторов и источников воздействия на водосборе р. Прони;

• разработать подходы к выбору приоритетных показателей, описывающих воздействие источников антропогенной нагрузки и состояние исследуемых водных объектов, а также к их нормированию с учетом особенностей водосбора;

• на основе обобщенных данных по эколого-экономической эффективности тех или иных водоохранных мероприятий разработать методические подходы для выбора наиболее эффективной программы водоохраны в бассейне.

Материалы, положенные в основу работы. При решении выше сформулированных цели и задач автором использованы, проанализированы и обобщены собственные данные, полученные в результате экспедиционных и лабораторных исследований, данные статистической отчетности предприятий и различных служб наблюдения и контроля за экологическим состоянием водных объектов Рязанской области. Проанализированы также имеющиеся по теме литературные источники.

Научная новизна. Впервые дана характеристика современного состояния качества вод и уровня антропогенной нагрузки в бассейне реки Прони. Указаны приоритетные источники загрязнения (промышленность, жилищно-коммунальное хозяйство, неконтролируемый сток с хозяйственно освоенных территорий). Определены приоритетные загрязняющие вещества (нефтепродукты, нитриты, аммонийный азот, фосфаты, БПК, взвешенные вещества).

Обоснованы принципы районирования речного бассейна по состоянию качества вод и уровню антропогенной нагрузки.

На основе анализа основных источников загрязнения рассчитаны необходимые уровни очистки сточных вод для достижения установленных нормативов.

Разработаны методы оптимизации водоохранных программ в бассейне на основе данных о сбросах загрязняющих веществ, эффективности тех или других технологий очистки сточных вод от конкретных загрязняющих компонентов, а также приведенных затрат для тех или иных технологий.

Разработаны алгоритмы оптимизации на основе линейного программирования и составлены соответствующие программы для ПК для выделенных водохозяйственных участков и источников загрязнения, определены оптимальные программы водоохраны.

В случае выбора оптимальных условий реализации водоохранных программ показан эффект «снижающейся эффективности» водоохраны при увеличении выделенных сумм на очистку сточных вод, что указывает на эффективность объединения предприятий в группы, ведущие совместную очистку сточных вод на общих очистных сооружениях.

Практическая значимость. Для бассейна Прони проведено районирование реки и ее основных притоков по состоянию качества вод. Выделены проблемные участки, где отмечается ухудшение качества вод и необходимость проведения водоохранных мероприятий.

Проведено районирование бассейна по уровню антропогенной нагрузки и для каждого из выделенных 7 водохозяйственных участков указаны 15 приоритетных источников, для которых указаны приоритетные загрязняющие вещества.

На основе разработанных программ оптимизации определены наиболее эффективные по эколого-экономическим показателям технологии очистки сточных вод.

В случае выбора оптимальных условий реализации водоохранных программ показана эффективность объединения предприятий в группы, ведущие совместную очистку сточных вод на общих очистных сооружениях.

Защищаемые положения. Предметом защиты являются:

• анализ экологического состояния основных водных объектов р. Прони, основных источников загрязнения и приоритетных загрязняющих веществ;

• районирование бассейна р. Прони по уровню изученности качества вод имеющимися системами мониторинга;

• водохозяйственное районирование бассейна р. Прони;

• методы оптимизации системы водоохранных мероприятий с учетом экологических и экономических факторов;

• обоснованные программы водоохранных мероприятий для приоритетных источников загрязнения;

• эффект «снижающейся эффективности» водоохраны при увеличении суммарных затрат на очистку сточных вод и необходимость объединения предприятий в группы для совместной очистки сточных вод.

Заключение Диссертация по теме "Геоэкология", Варнаков, Алексей Николаевич

Выводы

1. На основе анализа физико-географических и эколого-экономических данных из литературных и фондовых материалов, а также экспедиционных исследований с участием автора дана характеристика качества вод и уровня антропогенной нагрузки в бассейне Прони. Указаны приоритетные источники загрязнения (промышленность, жилищно-коммунальное хозяйство, неконтролируемый сток с хозяйственно освоенных территорий). Определены приоритетные компоненты по данным мониторинга (нефтепродукты, нитриты, БПК) и приоритетные загрязняющие вещества по составу сточных вод (БПК, взвешенные вещества, азот аммонийный, нитриты, фосфаты, нефтепродукты и СПАВ). Отмечается повышенный фон марганца, железа и меди, что связано с характером питания рек. В настоящее время наибольший вклад в загрязнение водных объектов бассейна вносят точечные источники, однако потенциальную угрозу, по мере роста производства, составляют диффузные источники.

2. Собраны и систематизированы данные по основным источникам загрязнения: объему и составу сточных вод, применяемым технологиям очистки сточных вод, эффективности их работы. Рассчитаны необходимые уровни очистки сточных вод для достижения установленных нормативов.

3. Проведено районирование бассейна Прони по уровню изученности качества вод на основе имеющихся систем мониторинга. Выполнен ретроспективный анализ динамики качества вод за последние 15 лет. Показано, что вследствие резкого снижения уровня производства в бассейне качество воды в р. Проне и ее притоках существенно улучшилось. Однако вследствие начавшегося подъема экономики за последние 3-4 года возникает угроза ухудшения экологического состояния водных объектов в бассейне, особенно в связи с недостаточным финансированием водоохранных мероприятий в последние 15 лет.

4. На основе собранной информации произведено водохозяйственное районирование бассейна. В основе лежит система наблюдений за качеством вод в бассейне и распределение основных источников загрязнения. Произведено ранжирование источников, выделено 15 объектов, объединенных в 7 водохозяйственных участков.

5. Разработаны методики оптимизации водоохранных программ в бассейне на основе данных о сбросах загрязняющих веществ, эффективности тех или других технологий очистки сточных вод от конкретных загрязняющих компонентов, а также стоимости тех или иных технологий в разрезе капитальных и эксплуатационных затрат.

6. Сформулированы 2 основные задачи эколого-экономической оптимизации программ водоохраны в бассейне: 1) минимизация затрат при определенном уровне очистки сточных вод по группе приоритетных загрязняющих веществ; 2) при определенном уровне затрат на водоохранные мероприятия оптимизация очистки сточных вод по группе приоритетных загрязняющих веществ по критерию максимум приведенных масс.

7. На основе этих постановок разработаны алгоритмы оптимизации на основе линейного программирования и составлены соответствующие программы для ПК.

8. Для 7 водохозяйственных участков и 15 приоритетных источников определены оптимальные программы водоохраны, включающие следующие основные этапы:

• выбор наиболее эффективных по эколого-экономическим показателям технологий очистки сточных вод. Рассмотрены более 10 различных вариантов технологий, включая капитальные и эксплуатационные затраты, а также имеющиеся очистные сооружения на каждом предприятии;

• выбор дополнительных стадии доочистки сточных вод в случае недостаточной эффективности основных сооружений и технологий, т.е. предложены комбинированные схемы очистки;

• расчет минимальной стоимости очистки, который обеспечивает требуемый уровень очистки;

• расчет необходимых технологий и режимов очистки при варианте оптимизации, когда выделена определенная сумма на водоохранную программу, обеспечивающая максимальный уровень очистки сточных вод.

9. В случае выбора оптимальных условий реализации водоохранных программ показан эффект «снижающейся эффективности» водоохраны при увеличении выделенных сумм на очистку сточных вод. Это указывает на эффективность применения принципа «bubble», т.е. объединения предприятий в группы, ведущие совместную очистку сточных вод на общих очистных сооружениях.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Варнаков, Алексей Николаевич, Москва

1. Авакян А.Б., Широков В.М. Комплексное использование и охрана водных ресурсов. Минск: Университетское. 1990. 240 с.

2. Беличенко Ю.П., Швецов В.М. Рациональное использование и охрана водных ресурсов. М.: Гидрометеоиздат. 1986.

3. Зарубаев Н.В. Комплексное использование и охрана водных ресурсов. JL: Гидрометеоиздат. 1976.1. KJ

4. Иоргенсен С.Э. Управление озерными системами. М.: Гидрометеоиздат. 1985.

5. Лаукс Д.П., Стединджер Дж. Р., Хейт Д.А. Планирование и анализ водохозяйственных систем. М.: Гидрометеоиздат. 1984.

6. Левковский С.С. Комплексное использование и охрана водных ресурсов СССР. Киев. Наукова думка. 1982.

7. Петросян B.C., см. Лапшина Т.П., Хоменко А.Н., Лебедев А.Т., Петросян B.C., Горшков В.В. Компонентный состав промышленных сточных вод. Гидрохимические материалы, 1990. Т. 109. С. 152-158. 109.

8. Семин В.А. Основы рационального водопользования и охраны водной среды: Учеб. пособие для студентов вузов. М.: Высшая школа, 2001. -320 с. Книга

9. Вода России. Малые реки / Под научной редакцией А.М.Черняева, ФГУП РосНИИВХ-Екатеринбург. Изд. «АКВА-ПРЕСС». 2001.- 804 с.

10. Черняев A.M., Прохорова Н.Б. Водные ресурсы, их использование и охрана. Екатеринбург. РосНИИВХ. 2002. 300 с.

11. Данилов-Данильян В.И., ред. Экологические проблемы: что происходит, кто виноват и что делать? М. Изд-во МНЭПУ, 1997. 332 с.

12. Раткович Д.Я. Актуальные проблемы водообеспечения. М.: Наука. 2003. 352 с.

13. Вендров JI.C. Жизнь наших рек. Л.:Гидрометеоиздат. 1986.

14. Юхина И.Н. Пронский район: Природопользование: Справочное пособие Для учителей географии, экологии, биологии. Рязань, 2001. - 72 с.

15. Юхина И.Н. Географическое краеведение: Пронский район. Учебно-методическое пособие по географии для учащихся 9 классов. Рязань, 2000. -114с.

16. Программа возрождения малых рек и других водных объектов Рязанской области. Утверждена Постановлением главы администрации области от 01.07.96.-Рязань, 1995.

17. Водные ресурсы Рязанской области, Рязань: ГИПРОВОДХОЗ, 1989

18. Информационный бюллетень «Ведение государственного мониторинга в бассейне р.Прони в 2000 г.». ФГВУ «ЦЕНТРРЕГИОНВОДХОЗ» Рязанский филиал. Рязань, 2001.