Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Оценка экологического состояния водного бассейна устья Северной Двины

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

Автореферат диссертации по теме "Оценка экологического состояния водного бассейна устья Северной Двины"

На правах рукописи

т м

г п:....;) ш

БОГДАНЧИКОВА Ольга Вадимовна

ОЦЕНКА ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ВОДНОГО БАССЕЙНА УСТЬЯ СЕВЕРНОЙ ДВИНЫ

11.00.11 - охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Архангельск 2000

Работа выполнена в Архангельском государственном техническом университете

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ-НАУЧНЫЙ КОНСУЛЬТАНТ-

д-р хим. наук, проф., заслуженный деятель науки РФ БОГОЛИЦЫНК.Г.

канд. геогр. наук, проф. КУЗНЕЦОВ B.C.

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ - д-р техн. наук, проф.

БОГДАНОВИЧ Н.И.

канд. техн. наук, ЛИЧУТИНА Т.Ф.

Ведущая организация: Севгидромет, г.Архангельск

Защита диссертации состоится « 7 » июня 2000 г. в 10 часов на заседани диссертационного совета Д 064.60.01 в Архангельском государственном техни ческом университете по адресу: 163007, Архангельск, наб.Северной Двины, 17. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке АГТУ.

Автореферат разослан « 3 » Л1СШу 2000 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, д-р с.-х. наук, проф.

А.И.Барабин

fit ¿>3/~ У Я 0

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время проблема качества питьевой воды является предметом особого внимания. Необходимость и неотложность ее решения обусловлены повсеместным ухудшением состояния водоисточников.

Возможность использования природных водных объектов в качестве источников водоснабжения населенных пунктов и промышленных предприятий оценивается, прежде всего, с позиций их экологического состояния, определяемого наличием в воде компонентов как природного, так и техногенного происхождения. С этой точки зрения вода представляет собой сложную физическую, биохимическую и экологическую систему, равновесие которой поддерживается огромным числом достаточно хрупких механизмов. И для того, чтобы предсказывать более или менее правильно последствия принятия тех или иных решений, необходим соответствующий аппарат. Подобные предсказания возможны на основе математического моделирования поведения экосистемы.

Объективная потребность использования математических моделей в научных исследованиях экологических систем диктуется рядом соображений. Главное из них то, что математика дает возможность описания явления на точном языке и выражения его в системе понятий, которые можно использовать для исследования различных процессов.

Роль математики сводится' не столько к применению математических методов, как аппарата исследований, сколько к возможности планировать и прогнозировать тот или иной природный процесс, а следовательно, определять приоритетное направление технологических и инженерных решений. Это особенно важно для Архангельской области - региона, где основным природным источником снабжения населения питьевой водой является р. Северная Двина и где актуальными остаются вопросы разработки математического, информационно-программного и методического обеспечения регионального экологического мониторинга.

Цель и задачи исследования. Целью настоящего исследования является разработка математических моделей оценки экологического состояния водного бассейна устья Северной Двины на основе выявления и анализа основных тенденций многолетнего изменения компонентного химического состава природного водоисточника в условиях техногенного воздействия.

Достижение поставленной цели осуществлялось решением следующих задач:

1. Используя характеристики гидрологического и гидрохимического режимов дельты Северной Двины, дать анализ современного экологического состояния источника водоснабжения г.Архангельска.

2. Методом пассивного эксперимента выявить основные тенденции и особенности изменения компонентного состава природного водоисточника на основе статистической обработки результатов экологического мониторинга состава воды в устье Северной Двины за период 1988-1998 гг.

3. Разработать математические модели оценки экологического состояния водоисточника, включшощие основные факторы формирования химического состава воды, и провести их экспериментальную проверку.

4. Разработать методики прогнозной оценки отдельных показателей компонентного состава воды.

Объект исследования. Данные экологического мониторинга воды устья Северной Двины за период 1988-1998 гг., представленные Северным центром мониторинга загрязнений окружающей среды Севгидромета и результаты комплексной экологической экспедиции «Северная Двина - 1998».

Научная новизна работы. На основе математического анализа результатов экологического мониторинга природной водной среды за 1988-1998 гг. предложена классификация компонентного состава воды устья Северной Двины и установлены закономерности его формирования. Впервые разработаны и экспериментально подтверждены дифференциальные

модели изменения концентрации веществ и показателей химического состава воды, основанные на знаниях о фундаментальных биологических, химических и физических процессах I включающие основные факторы формирования водопотока (расход и температура воды процессы, реаэрации). Установлена и математически описана зависимость динамики окисли' тельных процессов от наличия в природном водоеме органических веществ техногенной происхождения.

Практическая значимость работы. Выполнен анализ современного экологической состояния и тенденций формирования водопотока устья Северной Двины в условиях клима тического и техногенного воздействия межрегионального характера. С целью методической обеспечения регионального экологического мониторинга предложены методики прогнозно} оценки изменения компонентного состава и самоочищающей способности реки.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались п; III и IV международных конгрессах «Вода: экология и технология»: Экватэк-98 и Экватэк 2000 (Москва, 1998, 2000), на конференции молодых ученых и специалистов «Экология-98) (Архангельск, 1998), научно-технической конференции АГТУ (Архангельск, 1998, 2000), ш заседании НТС Госкомэкологии Архангельской области (2000).

Публикации. Результаты исследований и основные положения диссертации изложе ны в 7 публикациях.

Положения, выносимые на защиту:

- Анализ современного эколог ического состояния источника водоснабжения город; Архангельска, результаты статистической обработки многолетних экспериментальных дан ных по химическому составу воды устья Северной Двины, выявленные на их основе тенден ции изменения и классификация основных показателей компонентного состава воды.

- Дифференциальные модели изменения концентрации отдельных веществ, и пока зателей химического состава в воде устья Северной Двины, а также результаты их экспери ментальной проверки.

- Методики прогнозной оценки концентрации отдельных веществ и показателе! химического состава воды.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоят из введения, трех глав, об щих выводов, списка литературы. Работа изложена на 145 страницах машинописного текста включая 44 рисунка и 27 таблиц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Первая глава посвящена общей характеристике современного состояния проблем во допользования. Выполнен анализ экологического состояния водоисточников Российско1 Федерации в целом и в частности Архангельской области, особое внимание уделено качеств} поверхностных вод и тенденциям в его изменении, организации государственной системь экологического мониторинга природной водной среды.

Проблемы обеспечения населения качественной питьевой водой приобрели общего сударственное значение и требуют комплексного решения, пути реализации которого сфор муяированы в Концепции федеральной целевой программы «Обеспечение населения Россш питьевой водой», утвержденной Правительством РФ 6 марта 1998г. Главные цели данно! программы: улучшение обеспечения населения питьевой водой нормативного качества и ) достаточном количестве; улучшение на этой основе состояния здоровья населения и оздо ровление социально-экологической обстановки в РФ; восстановление, охрана и рациональ ное использование источников питьевого водоснабжения.

Основным источником снабжения населения России питьевой водой служит речно* сток, среднемноголетние ресурсы которого составляют 4262 км3, при этом суммарный забо] свежей воды - около 3 % общих водных ресурсов.

Почти в половине городов с населением свыше 100 тыс. человек централизованно* водоснабжение либо полностью основано на поверхностных водах, либо они составляют бо

лее 90 % в балансе водопотребления. Так как поверхностные воды практически не защищены от загрязнения, население этих городов находится под постоянной угрозой потребления воды, не соответствующей нормативам качества.

Наиболее водоемкими отраслями хозяйства являются энергетика, машиностроение, целлюлозно-бумажная, топливная, химическая и нефтехимическая, пищевая промышленность, черная и цветная металлургия, а также жилищно-коммунальное и сельское хозяйство. Например, в 1998г. было забрано из природных водоемов всего по России 87305,39 млн. м3 воды, в том числе на нужды промышленности, сельского хозяйства, жилищно-коммунального хозяйства соответственно 38981,33; 21966,90; 16307,31 млн. м3.

На территории России самыми распространенными загрязняющими веществами в поверхностных водах являются нефтепродукты, фенолы, легкоокисляемые вещества, соединения ме»аллов, аммонийный и нитритный азот, а также специфические загрязняющие вещества - лигнин, ксантогенаты, формальдегид и другие.

В целом анализ данных экологического мониторинга водных объектов России показывает, что, несмотря на уменьшение сброса сточных вод из-за остановки ряда предприятий и снижения выпуска продукции на работающих предприятиях, состояние крупных водных объектов и особенно малых рек в экономически развитых регионах остается неблагополучным. Качество воды в большинстве из них не удовлетворяет существующим нормативам.

Европейский Север является регионом, где наличие значительных природных ресурсов определило концентрацию предприятий добывающей промышленности и химико-лесного комплекса. На предприятиях химико-лесного комплекса Архангельской области производится 49% целлюлозы, 36% бумаги, 24% картона от общего выпуска в стране. Около половины объема сбрасываемых всей промышленностью сточных вод приходится па деревообрабатывающую и целлюлозную, химическую и энергетическую отрасли. Именно поэтому Архангельская область относится к регионам, где наблюдается наиболее тяжелое положение с качеством подаваемой населению питьевой воды. Кроме специфики техногенного воздействия на природные водоемы промышленных предприятий, существенную роль игра-гот также особенности климатического и географического положения: ограниченные запасы подземных вод, разветвленная сеть средних и малых рек, влияние моря в прибрежных районах, большое количество озер, заболоченность территории, малаягтсгпюсп, народонаселения.

Анализ экологического состояния поверхностных вод бассейна Северной Двины в месте водозабора г. Архангельска за период 1988-1998 гг. не выявил существенных изменений. Вода по комплексным показателям оценивается как «весьма загрязненная» и «грязная» (ГОСТ 2761-84. Источники централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения. Гигиенические, технические требования и контроль за качеством). Для всего течения реки, в том числе и для устьевого участка, характерно загрязнение воды легкоскисляемыми органическими веществами, фа юлами, нефтепродуктами, тяжелыми металлами, меш юлом, формалвдегвдом и лигнином.

Основное техногенное воздействие на экологическое состояние водной среды в районе г. Архангельска определяется хозяйственной деятельностью целлюлозно-бумажных комбинатов, нефгебаял, судоремоншых предприягай, 11редприяшй коммуналыюго и сельского хозяйства (табл. 1).

Таблица 1

Динамика сброса сточных вод в водоемы Архангельской области, км3

Показатель 1996 1997 1998

Сброшено в поверхностные водоемы - всего 0,95 0,77 0,87

В том числе:

без очистки 0,04 0,049 0,06

недостаточно очищенных 0,56 , 0,44 0,52

нормативно очищенных 0,04 0,043 0,04

В 1996-1998 гг. забор воды из бассейна Северной Двины составлял 0,96-1,05 км3 год (на рис.1 показано водопотребление отраслями экономики Архангельской области).

Жилищно-коммунальное хозяйство 16,5%

Другие водопотребители 0,55 V»

Производственное водопотребление 82%

Сельское хозяйство 0,95%

Рис. 1. Структура использования свежей воды отраслями экономики Архангельской области в 1996-1998 годах

Ситуация осложняется тем, что Северная Двина служит основным источником водоснабжения; более 70% населения, проживающего вблизи реки, использует ее воду в качеств« питьевой. Особенно неудачно выбрано местоположение створа существующего водозаборе Архангельска, он находится в устьевой части, куда поступают разбавленные сточные воды фактически от всех ЦБК, расположенных в бассейне Северной Двины. Водозабор оказался также в зоне сброса городских хозяйственно-бытовых, ливневых и производственных стоков и в зоне влияния соленых вод Белого моря.

Длительное использование питьевой воды с нарушением гигиенических требований к химическому составу обуславливает развитие различных заболеваний у населения. Так, по данным Института физиологии природных адаптации УрО РАН, негативное влияние присутствующих в воде компонентов техногенного происхождения проявляется в увеличении частоты заболеваемости и в особенностях патологии у населения. Выявлено, что у жителей региона преимущественно поражаются желудочно-кишечная и мочевыводящая системы. У лиц, использующих воду из Северной Двины, по сравнению с жителями населенных пунктов, снабжающихся водой из подземных источников, выше уровень нарушений иммунитета (47 и 24% сдатегсюямо), чаше регистрируются заболевания звджринной системы (37 и 19%).

Но данным санитарно-эпидемиологической службы в области сохраняется высокий удельный вес проб воды, не отвечающих санитарным требованиям. Так, в 1988 г. по всем источникам централизованного водоснабжения не отвечало этим требованиям 51% проб воды, взятых на анализ химического состава, и 18% - на наличие бактерий, в 1997г. соответственно - 53 и 21%.

Анализ состояния, проблем и путей решения вопросов водопользования в России вообще и в Архангельской области позволяет сделать вывод о том, что в отношении охраны и восстановления водных объектов - источников питьевого водоснабжения — необходимо, прежде всего, предусмотреть меры по совершенствованию мониторинга водных объектов, одной из задач которого является создание математических моделей экологических процессов для прогноза экологической ситуации, оценивания эффективности существующих и разработки новых природоохранных технологий, расширения возможностей практического исследования экологических систем.

В заключение главы сформулированы основные задачи, которые решаются в диссертационной работе.

Во второй главе на основе анализа гидрологических и гидрохимических характеристик дельты Северной Двины в 1988-1998 гг. дана оценка современного экологического состояния источника водоснабжения г. Архангельска.

Дельта Северной Двины начинается у Архангельска и напоминает полураскрытый веер (рис.2). Слева она ограничена Никольским рукавом и примыкающей к нему системой мелких проток, справа - верхней частью Корабельного рукава, а затем протокой Кузнечиха, низовой частью Маймаксы и Корабельным устьем. Оаюпные рукава расходятся от вершины дельты и шотюг в море.

Основной фактор, определяющий гидрологический режим дельты Северной Двины -речной сток. Преобладание снегового питания и сравнительно небольшая доля подземного питания обуславливают неравномерное распределение стока в году. Основная часть стока (50-60%) поступает в весенний период (апрель-июнь) вследствие таяния снега и весенних дождей.

В зимний период сток чрезвычайно мал: за четыре месяца (декабрь-март) поступает всего 10% годового стока. Зимний сток постепенно уменьшается от начала ледостава до весеннего подъема уровня воды. Миним&тьные зимние расходы приходятся чаще всего на март. Зимний минимум, как правило, является и годовым. Кроме весеннего половодья, наблюдается некоторое повышение стока в осенний период (сентябрь-ноябрь) вследствие увеличения количества осадков и уменьшения испарения в бассейне. Выполненный нами расчет расхода воды (2, м3/с) во всех водотоках дельты с использованием полученной по данным 1988-1998гг. зависимости

О = -4,614• 103 + 8,156• 103 • е0'002 'Н для базовой станции Усть-Пинега (нулевая отметка поста составляет 1,57 м Балтийской Системы отсчета) и значений уровня Н в бесприливный период после завершения ледохода показал, что по сравнению с результатами расчетов, выполненных по данным 1881—1961гг., существенного изменения в распределении водотоков по основным рукавам дельты не произошло (рие.З).

Другой, не менее важной гидрологической характеристикой дельты Северной Двины, является температура воды. Анализ многолетних данных показал, что температура воды имеет значительный сезонный ход, повторяющий более сглажено ход температуры воздуха. Зимой эта связь нарушается. В зимний период температура довольно стабильна во всех районах устьевой области. Максимальное значение показателя в пределах устьевой области наблюдается обычно в середине июля и достигает 25°С. Зимой минимальная температура в дельте и вверх по реке близка к нулю, а на взморье - 1,3 "С. Суточные колебания температуры воды летом возрастают от 0,4°С в начале устьевой области до 1,0-1,5°С в дельте и достигают 2,5-3,5°С на взморье.

Рис.2. Схема бассейна дельты Северной Двины и расположение в ней пунктов контроля (в), водозаборов (а) и источников загрязнения (#).

Мурманский рукав 20%

Никольский рукав 37%

Кузнечиха 6%

Корабельный рукав 21%

Маймакса 16%

Рис. 3. Распределение водотоков в дельте Северной Двины

Гидрохимический режим дельты Северной Двины обладает рядом существенных особенностей. Основные тенденции в изменении компонентного состава воды заключаются в следующем:

-Гидрохимический режим вод дельты Северной Двины отличается большой пространственно-временной изменчивостью. Тип вод по солевому составу изменяется от гидро-карбонатно-кальциевого (в верхней части дельты) до хлорид-натриевого типа (в ее мористой части).

-Воды дельты имеют слабощелочные свойства, которые при больших весенних расходах могут изменяться на слабокислотные. Для них характерен значительный дефицит кислорода в зимнюю межень, а в отдельных случаях и в летний период.

-Дельтовые воды обогащены органическими и биологическими веществами, но иногда в летнюю межень минеральный азот и фосфор могут служить лимитирующим фактором для развития гидробиологических процессов.

-Наиболее неблагоприятный в гидрохимическом отношении состав вод (без учета их загрязненности специфическими веществами) наблюдается в нижнем течении протоки Куз-нечихи и в Никольском рукаве. Самый благоприятный, с этой точки зрения, участок дельть;

- Корабельный рукав.

-К специфическим загрязнениям вод дельты можно отнести, прежде всего, лигно-сульфонаты, нефтепродукты, фенолы, медь, аммонийный азот.

Результаты экологического мониторинга р. Северная Двина в месте водозаборе г. Архангельска приведены в таблице 2. Дельта Северной Двины испытывает огромную антропогенную нагрузку от многочисленных источников загрязнения, расположенных вдоль е« притоков и непосредственно в устьевой части. Анализ изменения основных показателей поверхностных вод - цветности, мутности, жесткости, ХПК, концентрации лигнинных вещестЕ

- в зависимости от места отбора проб показал, что в основном состав водного потока Северной Двины формируется в ее верховье путем естественного питания грунтовыми водами притоками, а также в результате интенсивного техногенного воздействия на реки предприятий химико-лесного комплекса, таких как, Сокольский и Сухонский ЦБК (р. Сухона), Сыктывкарский ЛПК (р. Юг), Котласский ЦБК (р. Вычегда). Масса лигнинных веществ, приносимых Сухоной и Вычегдой, составляет 31 и 57% соответственно от их общей массы в поверхностных водах Северной Двины в районе г. Котласа. Процессы самоочищения протека ют с незначительной скоростью. Таким образом, основной поток органических веществ сформировавшийся на территории Вологодской области, за 600 км от Архангельска, доходи! до Новодвинска практически в неизменном виде. В районе Новодвинска происходит значи тельное воздействие на реку со стороны Архангельского ЦБК, что сказывается на ее гидро химических характеристиках: резко увеличивается значение ХПК, а также концентрацш

лигншшых вещестр, и воде.

Таблица 2

Химический состав р. Северная Двина е месте водозабора г. Архангельска (1988-1998 гг.)

Компонент, свойства Максимальное значение Минимальное значение Среднее значение пдк

Цветность, градусов 232 55 ¡21 -

Взвешенные вещест ва, мг/л 96,6 0,2 13,5 -

Минерализация, мг/л 408,4 62,7 217,2 -

Жесткость, мголь/л 5,91 С-,73 2,49 -

Ги/з» карбонаты, мг/л 175,7 30,7 99.8 -

рн 8,02 6,88 7.57 -

Растворенный кислород, мг/л 13,99 3,06 8,15 1 ... . 1

Процент насыщения кислородом, % 107 16 65

Углекислый газ, мг/л 15,4 ■> о 7.6 -

Магний, мг/л 16.8 Г 1,5 ¡и 40

Хлор. М1 /л 21,1 2,7 8,7 300

Сульфаг, мг/л 96,8 'Аб 49,8 -

На[р!1Й, мг/л 24,2 м 9,9 ¡20

Калий, мг/л 3,1 I/1 1,8 50

Кальций, мг/л 63.9 12.0 37.3 _

Кремний, мг/л 4,1 0,7 2,2 10 1

Фосф'КЫ, М1/Л 2 0 . 0,1 [_____ ______о„1_______; О.'Ч

Азот нитратный, мг/л 0,083 0.00! 0д>0 1

Ази г нитратный, мг'л 0,32 6 0,096 0,04 !

Азот аммонийный, »«-/л 2.0! 0,01 ~~1 0,11 " "6.5

Алюминг и, мг/л 0.94 ¡>.004 1 0,13 0,04 ]

Железо, иг,'л 0,97 0,01 0,05 |

Хром общий, мг/л 0,006 0,001 0,002 - 1

БПК,. МгО: '.1 5,9 0,79 Г: Л <3

ХПК, мгОз/л 66.1 23,8 39,2 <15

Лггносулфонэтм, МГ/Л 10,7 1,9 4.17 -

Нефтепродукты. мг/л 0,09 0,04 0.07 0,0.5

Формальдегид, мг/ ( 0,07 0.03 0,05 0.05

Метанол, мг/л 0,75 0 0,2 0.1

Л кати состава сточных вод Архангельского ЦБК. оказывающего основное техногенное воздействие на экологическое состояние водной среды в районе города Архангельска, показывает, что в последние годы отмечалась стабилизация основных показателей. Вместе с тем изменение компонентного состава воды устья СеЕерной Двины спиде гельствует, что даже спад промышленного производства не привел к существенному синжеишо концентраций отдельных компонентов п воде реки, таких как БПК, содержания СПАВ, фенолов, лигиин-пих в«, шест. Из этого можно сделать вывод, что сточные воды сбрасываются в реку без достаточной степени очистки, и ожидаемый а ближайшие годы рост промм¡пленного лроиз-; р.ч привести к ухудшению ситуации.

Следовательно, совершенствование организации мониторинга водной среды, в частности информационно-методического и математического обеспечения регионального мониторинга позволит решить ряд важных задач - проследить тенденции и динамику качесп'-я п?-4"«дной вод-юй среды, а также споевременио оцешпь эффект ивность проводимых ирирп-

доохранных мероприятий.

Третья глава посвящена математическому моделированию компонентного состава воды устья Северной Двины, она состоит из 5 разделов.

Статистическая обработка результатов экологического мониторинга Информационно-статистичссгие методы анализа и математическое моделирование - очень важные инструменты научного описания чрезвычайно сложных экологических процессов. Они позволяют существенно расширить имеющиеся возможности практического исследования экологических систем и оценивания эффективности природоохранных технологий, объективно обрабатывать оперативную экологическую информацию, периодически обновлять сведения об известных объектах, осуществлять и интерпретировать результаты экологического мониторинга, оценивать действия экстремальных факторов внешней среды, последствия глобальных природных и техногенных катастроф.

В основу рассматриваемых в настоящем разделе статистических моделей легли результаты контроля химического соетавз воды устья Северной Двины, предоставленные Северным центром мониторинга загрязнений окружающей среды Севгидромета. Отбор проб осуществлялся в следующих точках устья (рис.2):

• I - г. Архангельск, железнодорожный мост (у левого, ширина 0,3, и правого, ширина 0,7, берегов на глубине 0,3"!;

• II - Никольский рукав, на 1 км выше с. Рикасиха (ширина 0,5, глубина 0 и 0,3);

• III - Мурманский руказ, с. Красное (ширина 0,5, глубина 0 и 0,5);

• IV - протока Маймакса, на 1 км ниже поста Экономия (у левого и правого берегов, на глубине 0 и 0,3).

Обработка результатов мониторинга проводилась с использованием последней версии программы Mullicad - Mc:!icad 7.0 дня Windows.

Установлено, что для большого класса веществ возможно построить модель внутриго-довог<> хода сродесса ¡¿жсп&нъа концентрация. По этому признаку показатели можно условно разбить на три группы.

Первую группу — минеральные вещества, составляют гидрокарбонаты, натрий, магний, кальций, хлор, сульфат, калий, к ней же относят и такие интегральные показатели как минерализация и жесткость. График ттолинома, полученного для описания изменения минерализации, приведен на рис.4а. Вид полипомив для показателей первой группы и остаточная дисперсия S'ucm. для них представлены в таблице 3. Представленные полиномы адекватно отражают процессы, протекающие у пунктов контроля I и II, и только дня части показателей (кальций, гидрокарбона ты) зависимости справедливы во всех контрольных точках. Например, для пунктов контроля III, IV наблюдается увеличение концентрации натрия в десятки раз по сравнению с обычным (средним) значением ее в марте и августе-сентябре, что, вероятно, объясняется большей активностью приливных течений в эти периоды и близостью к морю.

Вторую группу, для которой выявлена общая зависимость концентрации от времени, можно условно назвать биогенными компонентами. Несмотря на некоторые различия их характеристик в первой половине года, ьсе они обладают общей особенностью - минимальная концентрация вещества каиюдастса в июле - августе. Такие результаты получены для соединений азота, фосфора, а также общего железа и кремния. В отличие от моделей первой группы веществ, приведенные модели второй группы подходят при описании процессов изменения концентрации во всех пунктах контроля.

Свой собственный закон изменения во времени имеет также растворенный кислород (рис.4б, табл.4). Он отнесен автором к третьей группе классифицируемых веществ. Кроме того, получены зависимости от времени таких показателей, как степень насыщения воды кислородом и концентрация углекислого газа.

Время, месяц

О I 234 56 7 89 ГО II

1990 Время, месяц

- 1991

1992

1993 ------ 1994

(б)

Рис.4. Изменение минерализации (а) и концентрации растворенного кислорода (б) в течение года (данные 1990-1995 гг.)

Таблица 3

Полиномы, описывающие изменение концентрации минеральных веществ '_с; течение года и остаточная дисперсия для них__

Вещество Коэффициенты шли! ю.ча А;0^а0£ +а114+а2£:!+азР+а!1+а5 с1..... ^ ОСТ

Зо а; | а2 03 Э4 а5

Кальций 0,1112 -3,ч 7 78 | 40,2465 -209,515 469,4644 -300,854 | 52,45

Магнил 0,0258 -0,8216 1 9,6983 -51,7625 119,8927 -82,5141 1 2,46

Хчор 0,0243 -0,7677 8,9806 -47,2826 106,6401 -67,2296 5.52

Сульфат 0,1183 -3,6202 40,5537 -199,372 394,2371 -145,457 133,8

Натрий 0,0299 -0,9176 10,3104 -51,3434 106,2985 -53,5746 8,89

Гидрокарбонаты 0,3482 -10,7860 124,351 -650,320 1,483-103 -1,01-Ю3 385,8 0,07

Калий Минерализация зэисР-1),66419*" -0,1105 *-20,9473*" 1,3773 -8,0078 21,3173 -18,8039

245,4948 ______ -1,30-10" 3,0! 6-103 -2,07-10' ......... .. 2,64-5 0'

Похииомы описывающие изменение концентрации растворенного кислорода _______с ги'чет:е года и остсто-.па:г дисперсия дчя них_____

Год Коэффициент полинома :|1)--»а-.Г-!-а|16таг.Р+азг4+а,13+аз(2+а(.1^а7

ао'Ю* «2 аз 34 а? аб «7

1990 2.1)52 -0,0119 0,1949 -1,535! 5,9367 -9,9161 5,1341 5,2821 ОЛ

1991 2,262 ■9,59- V? 1 0,1573 -1,2435 4,7117 -6,8317 0,0954 7,5567 1,4-

1992. 2,511 -0,0107 С,! /67 -1,1437 5,5068 -8,7081 1,7745 8,4401 0,51

1993 2,052 -8,73-10° 0,1454 -1,1939 4,9892 -9,6868 6,759 3,9954 0,4«

1994 2,454 -0,01005 о.:ь*2 -1,1831 4,1263 -4,9087 -2,0723 9.7638 1,8;

1995 1,655 -6,64-10"' 0,0'39б 1,6008 Г 1,8401 -11,129 >4,946 2,1;

Ряд полученных зависимостей достаточно легко поддается объяснению. Ясно, чтс концентрация показателей перьоц групки непосредственно связана с расходом воды ь реке Количество биогенных соединений тсспо связанно с жвздедеятешюсшо водных организме* поэтому самые низкие концентрации этих соединений отл ечаются лето.м.

Повышенная растворимость шчлерот в течение осени и зимы шииеяеируетс-активностью фотосинтеза к ценыкгй растворимостью кислорода в более теплой воде. Э:с

означает, что, хотя концентрация кислорода может изменяться, степень насыщения кислородом остается примерно на одном уровне.

Но все эти хорошо известные факты не объясняют полученных зависимостей в полной мере, и, конечно, вербальное описание процессов и даже полученные полиномы могут служить лишь отправной точкой дальнейших исследований, включающих как детальное объяснение полученных зависимостей концентраций веществ от времени, так и разработку моделей, основанных па знаниях о фундаментальных биологических, химических и физических процессах, протекающих в воде устья Северной Двины.

Дифференциальная модель изменения концентрации минеральных веществ в воде устья Северной Двины. Одним из основных показателей качества воды, важным для многих водопотребителей, является минерализация воды. Известно, что минерализация непосредственно связана с расходом воды в реке и зависит ог водного режима водотока. Этот факт хорошо объясняет уменьшение концентрации веществ миперальной группы в период весеннего половодья. Дальнейшее увеличение минерализации принято связывать с изменением характера литания реки, а именно, с увеличением грунтовой составляющей в питании реки. Однако данная гипотеза не объясняет ни снижения концентрации минеральных веществ после восьмого месяца, ни увеличения самой составляющей грунтового питания. Введение в рассмотрение такого гидрологического параметра, как температура воды, с увеличением которой повышается растворимость веществ минератьной группы, позволяет решить данную задачу.

С учетом характера изменения указанных параметров можно записать следующее лилейное дифференциальное уравнение для описания изменения концентрации минеральных веществ в течение года:

где с - концентрация вещества, мг/л; / - время, мес.; со - постоянная, характеризующая уровень грунтового питания реки, мг/л; - кусочко-лкнейцая функция, моделирующая изменение

расхода воды в реке в течение года, м3/с; (?) - кусочно-линейная функция, моделирующая изменение температуры воды в течение года, °С; к , к, - постоянные, характеризующие степень зависимости концентрации рассматриваемого вещества от расхода воды, с/(сут.-м3), и температуры,, мг/(л-сут.-°С).

То обстоятельство, что Северная Двина - река с ярко выраженным пиком половодья весной, позволяет моделировать расход с помощью кусочно-линейной функции, описывая передний и задний фронты "импульса", изображающего всплеск расхода воды в период весеннего половодья. Тот же подход можно использовать для описания изменения температуры воды в течение года.

При решении уравнения (1) для всех компонентов первой группы хорошие результаты

получены при значении коэффициента к1 = 0,2 • 10 3 (т.е. все они в одинаковой степени зависят от расхода воды), однако каждый из них обладает собственным температурным коэффициентом кг.

Например, для общей минерализации уравнение (I) имеет вид:

§ = -0,2 -Ю-3 (с - 70)0(0 + 8Г(0, (2)

1 при 2 <t <3,5,

26,5«" —91,75 npu3,5<t< 4,3, -16,83/+ 94,58 при 4,3 < t < 5,5, ■ 2 при 5,5 < / <10.

«ри 2 < / < 4, при 4 < / < 6,5, при 6,5 <t< 9,5, при t >9,5.

Интегральная кривая уравнения (2) и статистическая модель для минерализации приведены на рис.5. При сравнении этих двух кривых обращает на себя внимание тот факт, что интегральная кривая с большей степенью достоверности характеризует процесс изменения концентрации, в частности, в период весеннего половодья, проходя ближе к точкам данных, несмотря на то что регрессионный полином имеет достаточно высокую степень.

450 ~ --------

1 3 4 5 6789 10 II

Рис. 5. Интегральная кривая уравнения (2) (сплошная линия) и статистическая модель (пунктир) для изменения минерализации

Корректность предлагаемого подхода была проверена при обработке экспериментальных данных измерения концентрации веществ первой группы в 1988г., 1996г. и 1998г. Погрешность определения расчетных значений не превышает 18%.

^Предложенный подход и использование уравнения (1) позволяют адекватно описывать процесс изменения концентрации веществ первой группы в течение года; дает возможность прогнозировать поведение этих веществ на основании знаний о расходе воды в реке и температуре. Программа, нашгсаниая для уравнения (1) с использованием средств МаШсас! 7.0, существенно упрощает его решение.

Аналитическое описание изменения концентрации биогенных компонентов в воде устья Северной Двины. Для описания изменения концентрации биогенных веществ в течение года в работе предложена следующая формула:

ö(0-io-3=.

Г(/) =

о

8f — 32

- 6,67 t + 63,33 0

с(!) = с0+е-к^-к2Т( 0, (3)

где с - концентрация биогенного вещества, мг/л; Со, , Т(¿) - то же, что в уравнении (1); кI и кз - постоянные, характеризующие степень зависимости концентрации рассматриваемого вещества от расхода воды в реке, мг/(л-сут.), и температуры, мг/(л-°С).

Уравнение (3) носит гипотетический характер. Оно основывается на предположениях, что, во-первых, концентрация биогенных веществ зависит от расхода воды в реке (всплеск весеннего половодья несомненно приведет к уменьшению содержания биогенных веществ в потоке реки), и во-вторых, интенсивность деятельности фитопланктона непосредственно связана с температурой воды. Соединение влияния указанных факторов и приводит к минимальной концентрации веществ второй группы в летнюю межень. Обращает на себя внимание тот факт, что зависимость от температуры концентрации биогенных веществ несколько отличается по характеру от зависимости для веществ минеральной группы. Именно, они быстрее реагируют на изменение температуры. Так, например, для кремния коэффициенты уравнения (3) имеют следующие значения: Со=2,1 мг/л; к/-0,2; ^=0,144. Погрешность расчета концентрации кремния не превышает 5%.

Дифференциальная модель изменения концентрации растворенного кислорода Моделирование и анализ концентрации растворенного кислорода в воде реки является одной из наиболее актуальных экологических проблем. Действительно, с одной стороны, растворенный кислород является хорошим интегральным показателем жизнедеятельности, с другой стороны, поскольку многие параметры качества воды связаны с концентрацией растворенного кислорода, его изменение во времени и пространстве особенно трудно охарактеризовать.

Поглощение кислорода обусловлено биохимическими и окислительными процессами. Концентрация растворенного кислорода в природных условиях колеблется в ограниченных пределах и стремится к достижению нормального значения, определяемого законом Генри -Дальтона. Растворимость кислорода уменьшается при повышении температуры и увеличении солености воды.

При сбрасывании отходов с большим показателем БПК5 кислород, растворенный в воде, расходуется на окислительные процессы с определенной скоростью и в течение некоторого времени не восполняется. Если получающаяся смесь остается на поверхности, то скорость восполнения израсходованного кислорода зависит большей частью от свойств поверхностной пленки (площади и толщины); если смесь оказывается тяжелой и погружается в воду, то скорость восполнения будет зависеть от ряда дополнительных переменных.

Всякий раз, когда потребление кислорода превышает восстановление его запасов, возникает более или менее устойчивое состояние истощения, что оказывает заметное влияние на существование живых организмов в смеси воды и отходов, обедненной кислородом. Масштабы эгош влияния, зависящие от относительных скоростей потребления или восстановления кислорода, движения воды , могут быть полностью определены после нанесения ущерба.

Анализ и математическая обработка статистических данных по химическому составу воды устья Северной Двины выявили ряд существенных особенностей, не позволяющих, на первый взгляд, использовать ни одну из существующих моделей в качестве основы при моделировании изменения концентрации растворенного кислорода (РК) в воде устья. Полиномы, описывающие изменение концентрации РК в течение года, для данных разных лет имеют один и тот же вид, отличаясь друг от друга лишь коэффициентами (рис.4б). Вид полученных функций позволяет сделать вывод о наличии закономерности в изменении кошдентрации кислорода в течение года, обусловленной, главным образом, природными процессами, протекающими в воде устья. Ясно, что в случае преобладания факторов техногенного

воздействия в формировании характеристики РК, получение столь стабильных зависимостей оказалось бы невозмождым.

Поступление кислорода за счет реаэрации является одним из основных факторов, определяющих его концентрацию в воде в безледный период. Сопоставляя графики расхода реки за 1990-1995 гг. с рис.4б, можно заметить, что начало процесса реаэрации существенным образом зависит от даты начала ледохода (вскрьггия реки).

Минимальное значение концентрации РК, наблюдаемое в летние месяцы, связано с уменьшением растворимости кислорода при повышении температуры воды. Характер изменения температуры воды в устье Северной Двины позволяет задавать зависимость температуры воды от времени с помощью кусочно-линейной функции. Обозначив через -функцию, задающую зависимость температуры воды от времени, получим для изменения концентрации РК следующее уравнение:

¿С

— = А,(С0-С)-А2Г(0, (4)

где к\ - коэффициент реаэрации, зависящий от скорости течения реки, сут"1, кг - коэффициент, характеризующий зависимость концентрации РК от температуры, мг/(л-сут.-°С), Со -концентрация насыщения РК, мг/л. Решив уравнение

¿1с

= 0,35 • (14,65 - с) - 0,22 • Т{1), (5)

Л

где Т(1)=

0,

7,41 -/-28, -8,7- ( + 76,5, 0,

при 0</<3,8, при 3,8 < г <6,5, при 6,5</<10, при <>10,

для 1990 г., получим интегральную кривую, представленную на рис.6.

Время, месяц

Рис.6. Интегральная кривая (сплошная линия) уравнения (5) и статистическая модель (пунктир изменения концентрации растворенного кислорода в 1990 г.

Для 1990 г. расход РК в безледный период на окисление органических веществ относительно невелик и может быть оценен в пределах 1-2 мг /сут.

Для оценки концентрации РК в устье Северной Двины в течение безледного периода разработана следующая методика. Перед началом периода весеннего половодья, например, 31 марта 0=3 мес.), измеряют концентрацию РК в воде устья. Если измеренная концентрация оказалась не меньше 6 мг/л, то для расчета применяют формулы (5а): при 3<г<3,8 с = 14,65-23,004-е'Ю5',

3,8 <6,5 с-= 49,13-5,028-Г-81,12-е"0'35', (5а)

6,5 < / < 10 с = 5,468 • I - 49,057 + 210,37 • е'0-зу'.

Если же полученная концентрация менее б мг/л, то используют формулы (56): при 3 < * < 3,8 с - 14,65- 26,83 -е'0'35 ',

3,8<?<6,5 С = 49,13 - 5,028 -/-84,962 (56)

6,5 < I < 10 с = 5,468 • ? - 49,057 + 206,495 • <?"0'35'. Формулы (5а) и (56) получены как решения уравнения (5) при различных начальных условиях.

Предлагаемые методики расчета были проверены по экспериментальным данным 1988г., 1992-199<5п\, 1998г. Средняя погрешность определения концентрации РК не превышает 10%.

Проведенное исследование динамики окислительных процессов в воде устья Северной Двины показало, что жесткой зависимости между параметрами РК и БПКз, БПКм не существует. В результате обработки статистических данных удалось выяснить, что кривая, описывающая изменение ХПК, по форме очень напоминает характеристику РК, но формируется с некоторым запаздыванием по отношению к ней. Это свидетельствует о том, что интенсивность процессов окисления в большой степени зависят от концентрации РК в данный момент (интервал) времени. С увеличением (уменьшением) концентрации РК соответственно увеличивается (уменьшается) интенсивность процессов окисления. Изменение ХПК в безледный период удачно описывается системой уравнений: с1с

(6)

— = к~,с-к.В. {Ж

где В - ХПК, мгОг/л, с - концентрация РК, мг/л, ¿з - постоянная скорости изменения ХПК, зависящая от интенсивности процессов реаэрации, сут'1, - постоянная скорости окислительных процессов, характеризуемая ХПК, сут'1. В ходе исследования системы (8) выяснилось, что для устья Северной Двины можно принять кз равным 20 сут."', кь равным 4 сут.'1 Решая систему (б) для 1990 г., получим интегральную кривую, представленную на рис.7; здесь же пунктирной линией изображена статистическая модель для изменения ХПК. Конечно, изложенный подход к оценке ХПК будет справедлив в случае отсутствия аномальных возмущающих воздействий техногенного характера. В случае существенного отклонения измеряемых значений ХПК от расчетных, можно сделать вывод о наличии таких возмущений.

Для оценки ХПК в устье Северной Двины в течение безледного периода разработана методика, основанная на получении решения (6) при различных начальных условиях. Одновременно с измерением содержания РК (например, 31 марта; 1=3 мес.) необходимо измерить показатель ХПК в воде устья. Если измеренное значение оказалось не менее 30 мг02/л, то для расчета применяют формулы (6а):

Время, месяц

Рис.7. Интегральная кривая системы (6) и статистическая модель для изменения ХПК, 1990 г.

3 < / < 3,8 В = 73,25-126,03-е~аг'и -1,342 -107 -<Г4',

3,8</<6,5 В = 251,935-25,14444,56-е"0,35'' + 5,275-106 - с"4', (6а>

6,5 </ < 10 £ = 27,34• <-252,12 +1152,48• ¿г0-35"' -2,417-10" -¿Г4'.

Если же полученное значение составляет менее 30 мгОг/л, то используют формулы (66):

Ъ<1 <3,8 В = 73,25-147,01 -е""0,35' -1,008 -106 -е"4',

3,8 </ <6,5 5 = 251,935-25,14-Г-465,54 +6,013-Ю6-е-4', (66)

6,5 </<10 27,34-/-252,12 + 1131,48-ечи5" -8,189-10" -е'4'.

Средняя погрешность определения расчетных значений ХПК по предлагаемой методике не превышает 12%.

Подводя итоги исследований содержания РК и динамики окислительных процессов в воде устья Северной Двины, можно сформулировать следующие выводы:

!. Двумя основными факторами, влияющими на формирование характеристики РК в воде устья Северной Двины являются реаэрация и температура воды. Искажения формы кривой кислорода могут быть обусловлены значительным расходованием кислорода на процессы окисления в случае увеличения техногенного воздействия, однако, общая закономерность формирования характеристики РК сохранится.

2. Для воды устья Северной Двины ХПК, а не ВПК, является интегральным показателем эквивалентным общей концентрации органического вещества, присутствующего в воде.

К вопросу об оценке самоочищающей способности дельты Северной Двины. В разделах 3.1-3.4 главы 3 проведен анализ содержания тех веществ и показателей, для которых оказалось возможным выявить зависимость их концентрации от времени. Этим был исключен из рассмотрения довольно большой класс веществ, в основном, техногенного происхождения. Для веществ и показателей, не имеющих зависимости от времени (лигносульфонатов, фенолов, нефтепродуктов, метанола и т.д.), можно предложить подход к анализу их содержания с позиции самоочищающей способности реки на данном участке (в нашем случае - в одном из рукавов устья). В связи с этим дельта реки рассматривается как система, имеющая два входа и несколько выходов.

По виду уравнения спых. ~ а' Свх. ® можно судить о самоочищающей

способности реки на данном участке. Так, при <3 = 1 (а —> 1) и относительно малом в

(в —> 0) можно сделать вывод об отсутствии процессов самоочищения воды. Значения

Д < 1, в < 0 {в —> 0) свидетельствуют о наличии самоочищения, причем, чем меньше

величина й, тем интенсивнее идут эти процессы. Наконец, при О > 1 и в > 0 можно говорить о том, что происходит загрязнение воды данным веществом на рассматриваемом участке. Построенные таким образом зависимости для концентрации лишосульфонатов позволяют отметить несущественное самоочищение по этому показателю в Никольском рукаве и более интенсивные процессы самоочищения в Мурманском рукаве и протоке Маймакса.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Анализ результатов экологического мониторинга качества поверхностных вод дельты Северной Двины (1988-1998 гг.) в условиях техногенного воздействия позволяет классифицировать их состояние по третьему и четвертому классам, т.е. по комплексным показателям оценивать как "весьма загрязненные" и "грязные". Процессы самоочищения протекают с незначительной скоростью.

2. На основании статистической обработки результатов экологического мониторинга предложена классификация компонентного состава воды дельты Северной Двины, базирующаяся на выявленных законах изменения концентрации химических веществ и других показателей в течение года. Первую группу составляют гидрокарбонаты, натрий, магний, кальций, хлор, сульфат, калий и такие интегральные показатели, как минерализация и жесткость. Во вторую группу входят биогенные компоненты (соединения азота, фосфора), а также общее железо и кремний. В третью группу отнесен растворенный кислород, концентрация которого также имеет свой собственный закон изменения во времени.

3. Для описания изменения концентрации веществ и показателей качества воды получены дифференциальные уравнения, включающие в качестве определяющих факторов расход воды в реке ()(<) и температуру воды Т(1), Со - постоянная, характеризующая грунтовое питание реки:

- для компонентов минеральной группы

с1с

ш

- для биогенных веществ

Изменение концентрации растворенного кислорода в безледный период описывается дифференциальным уравнением вида: йс

- = 0,35 • (е() - с) - 0,22 • Т(?), где Со=14,65 мг/.п - концентрация насыщения РК, Л

температура воды Т(0 задается с помощью кусочно-линейной функции. Установлены основные особенности процесса реаэрацни и влияния температуры воды на растворимость кислорода в воде дельты Северной Двины.

4. Выявлены основные аспекты динамики окислительных процессов, протекающих в воде дельты Северной Двины. Установлено, что наиболее интенсивно окислительные процессы протекают в период весеннего половодья (апрель-июнь) и в осеннюю межень (ок-

тябрь-ноябрь). Получена система дифференциальных уравнений, описывающих изменение ХПК (В) в отсутствии аномальных возмущающих воздействий техногенного характера (с - концентрация растворенного кислорода): йс т

1 , »

ш

5. Разработаны методики прогнозной оценки качества воды по отдельным показателям: минерализации и индивидуальным компонентам первой группы, растворенному кислороду и ХПК. Средняя погрешность определения их значений по предлагаемым методикам не превышает 18,10 и 12% соответственно. к

Список работ, опубликованных по теме диссертации

1. Эколого-аналитическая оценка техногенного воздействия на состояние водной среды (дельта р. Северная Двина)/ К.Г.Боголицын, О.В.Богданчикова, В.А.Фокина и др. // Леси. журн.~ 1999.-№2-3. -СЛ89-197.-(Изв. выси. учеб. заведений).

2. Богданчикова О.В., Боголицын К.Г., Фокина В.А. Изменение содержания минеральных веществ в воде р. Северная Двина/У Леси. журн. - 1999. -№ 4. -С.103-109.~(Изв. высш. учеб. заведений).

3. Анализ и математическая оценка современного гидрохимического состояния реки Северной Двины / К.Г.Боголицын, В.С.Кузнецов, Н.Р.Попова, О.В.Богданчикова и др. // Экология Северной Двины. -Архангельск, 1999.-С.96-110.

4. Комплексная оценка техногенного воздействия на состояние и динамику изменения экосистемы р.Северная Двина/ К.Г.Боголицын, О.В.Богданчикова, В.С.Кузнецов, А.М.Айзенштадт, В.А.Фокина // Третий международный конгресс "Вода: экология и технология": Экватэк-98: Тез. докл. -М.,1998. -С.23-24.

5. Богданчикова О.В. Математическое моделирование самоочищающей способности дельты Северной Двины // Конф. молод, учен, и специалистов "Экология-98": Тез. докл. -Архангельск, 1998. -С.68.

6. Богданчикова О.В., Боголицын К.Г. Моделирование содержания растворенного кислорода в воде устья Северной Двины.// Лесн. журн. - 2000. -№ 1. -С.119-127.-{Изв. высш. учеб. заведений).

7. Боголицын К.Г., Богданчикова О.В. Математическое моделирование содержания растворенного кислорода в воде дельты Северной Двины// Четвертый международный конгресс "Вода: экология и технология" Экватэк-2000: Тез. докл. -М.,2000. -С.23-24.

Отзывы па автореферат в 2-х экземплярах с заверенными гербовой печатью подписями направлять по адресу: 163002, г. Архангельск, наб. Северной Двины, 17, АГТУ, диссертационный совет.

ЛР № 020460 от 10.04.97 Сдано в произв. 24.04.2000. Подписано в печать 24.04.2000. Формат 60 х84/ 16. Усл. печ. л. 1,25. Уч.-изд. л. 1,0. Заказ № 43. Тираж 100 экз.

Отпечатано в типографии Архангельского государственного технического университета. 163002, г. Архангельск, наб. С. Двины, 17

Введение Диссертация по географии, на тему "Оценка экологического состояния водного бассейна устья Северной Двины"

Выступая в роли особо важного природного компонента, стимулирующего полную цепную реакцию биологических процессов, вода представляет собой фундаментальный ресурс для поддержания жизни на Земле и является единственным возобновляемым природным ресурсом. Одновременно с быстрым индустриальным ростом изменяются и общие перспективы для этого ресурса. Если совсем недавно проблема «чистой воды» понималась очень узко - либо как обеспечение городов питьевой водой, либо обеспечение предприятий водой технологической, то сейчас она рассматривается необычайно широко - это и сохранение рек и озер, и сокращение потребления воды за счет внедрения прогрессивных природно-ресурсных энергосберегающих технологий.

Возможность использования природных водных объектов в качестве источника водоснабжения населенных пунктов и промышленных предприятий оценивается, прежде всего, с позиций их экологического состояния, определяемого наличием в воде компонентов как природного, так и техногенного происхождения.

С этой точки зрения, вода представляет собой сложную физическую, биохимическую и экологическую систему, равновесие которой поддерживается огромным числом достаточно хрупких механизмов. И для того, чтобы предсказывать более или менее правильно последствия принятия тех или иных решений, необходим соответствующий аппарат. Подобные предсказания возможны на основе математического моделирования поведения экосистемы.

Объективная потребность использования математических моделей в научных исследованиях экологических систем диктуется рядом соображений. Главное из них то, что математика дает возможность описания явления на точном языке и выражения его в системе понятий, которые можно использовать для исследования различных процессов. Вследствие сложности экосистем и процессов в них происходящих математическое описание неизбежно 4 приобретает черты многозначности, полиморфности. В этих условиях формализованное описание приобретает характер модели, качество которой может быть оценено только в рамках целевой задачи.

Роль математики сводится не столько к применению математических методов, как аппарата исследований, сколько к возможности планировать и прогнозировать тот или иной природный процесс, а значит, определять приоритетное направление технологических и инженерных решений. Это особенно важно для Архангельской области - региона, где наблюдается наиболее тяжелое положение с качеством подаваемой населению питьевой воды.

Данное исследование посвящено разработке математической модели оценки экологического состояния водного бассейна устья Северной Двины на основе выявления и анализа основных тенденций многолетнего изменения химического состава природного водоисточника в условиях техногенного воздействия.

Заключение Диссертация по теме "Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов", Богданчикова, Ольга Вадимовна

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Анализ результатов экологического мониторинга качества поверхностных вод дельты Северной Двины (1988-1998 гг.) в условиях техногенного воздействия позволяет классифицировать их состояние по третьему и четвертому классам, т.е. по комплексным показателям оценивать как "весьма загрязненные" и "грязные". Процессы самоочищения протекают с незначительной скоростью.

2. На основании статистической обработки результатов экологического мониторинга предложена классификация компонентного состава воды дельты Северной Двины, базирующаяся на выявленных законах изменения концентрации химических веществ и других показателей в течение года. Первую группу составляют гидрокарбонаты, натрий, магний, кальций, хлор, сульфат, калий и такие интегральные показатели, как минерализация и жесткость. Во вторую группу входят биогенные компоненты (соединения азота, фосфора), а также общее железо и кремний. В третью группу отнесен растворенный кислород, концентрация которого также имеет свой собственный закон изменения во времени.

3. Для описания изменения концентрации веществ и показателей качества воды получены дифференциальные уравнения, включающие в качестве определяющих факторов расход воды в реке 0(1) и температуру воды Т(1), С0 -постоянная, характеризующая грунтовое питание реки:

- для компонентов минеральной группы ск

- =-*!(<:-Со )е(0 + *2Г(0, си

- для биогенных веществ с(0 = с0+е-^е(г)а" -к2Т(1).

Изменение концентрации растворенного кислорода в безледный период описывается дифференциальным уравнением вида:

147 йс = 0,35-(со - с) - 0,22 • Г(7), где 0)= 14,65 мг/л - концентрация насыщения

РК, температура воды Т(1) задается с помощью кусочно-линейной функции. Установлены основные особенности процесса реаэрации и влияния температуры воды на растворимость кислорода в воде дельты Северной Двины.

4. Выявлены основные аспекты динамики окислительных процессов, протекающих в воде дельты Северной Двины. Установлено, что наиболее интенсивно окислительные процессы протекают в период весеннего половодья (апрель-июнь) и в осеннюю межень (октябрь-ноябрь). Получена система дифференциальных уравнений, описывающих изменение ХГ1К (В) в отсутствии аномальных возмущающих воздействий техногенного характера (с - концентрация растворенного кислорода): йс = ^(с0 -с)-к2Т(0,

1 ш ш

5. Разработаны методики прогнозной оценки качества воды по отдельным показателям: минерализации и индивидуальным компонентам первой группы, растворенному кислороду и ХПК. Средняя погрешность определения их значений по предлагаемым методикам не превышает 18,10 и 12% соответственно.

Библиография Диссертация по географии, кандидата технических наук, Богданчикова, Ольга Вадимовна, Архангельск

1. Обеспечение населения России питьевой водой / Концепция федеральной целевой программы //Российская газета. -1998. -24 марта.

2. Государственный доклад о состоянии окружающей природной среды Российской Федерации в 1998 году //Государственный комитет Российской Федерации по охране окружающей среды. -М. -1999.

3. Вода. Контроль химической, бактериальной и радиационной безопасности по международным стандартам //Энциклопедический справочник. -М., 1995.

4. СанПиН № 4630-88. Охрана поверхностных вод от загрязнений. -М.,1996-с.121.

5. ГОСТ 2761-84. Источник централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения. -М., 1994.

6. ГОСТ 2874-82. Вода питьевая. Гигиенические требования и контроль за качеством. -М., 1996.

7. Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества // СанПиН., -М., 1996, -С. 111.

8. Вода питьевая. Нормы. Стандарты. Качество // Информационный сборник №1. -М. Информационно-издательский центр Госкомсанэпиднадзора России, 1996. -С. 110.

9. Директива Совета Европейского Союза 98/83/ЕС от 3 ноября 1998 г. по качеству воды, предназначенной для потребления человеком // Official Journal of the European Communities. -1998. -5 декабря.

10. Состояние природной среды Архангельской области в 1997 году: Докл. / Комитет охраны окружающей среды Архангельской области. -Архангельск, 1998.

11. Состояние природной среды Архангельской области в 1998 году: Докл. / Комитет охраны окружающей среды Архангельской области. -Архангельск, 1999.

12. Фторирование питьевой воды: за и против. Fluoridation: for and against /Р. Castle // Water and Waste Treat. -1993. -№11. -c. 60.

13. Нежелательные нитраты. Unwanted nitrate / Goulding Keith, Poulton Paul // Chem. Brit -1992. -№ 12. -c. 1100-1102.

14. Лазарева Н. К., Кудря Л. И., Шрага М. X., Сумкин А. А., У сков А. В. К вопросу об основных различиях заболеваемости населения в крупных городах Архангельской агломерации // Экология Северной Двины: сборник статей. -Архангельск. 1999. -с. 172-173.

15. Постановление Правительства администрации Архангельской области от 22.12.97 «Об утверждении положения о ведении государственного мониторинга водных объектов на территории Архангельской области».

16. Гидрология устьевой области Северной Двины / Под ред. М.И.Зотина и В.Н.Михайлова. -М., 1970.

17. ГОСТ 3351-74. Вода питьевая. Методы определения вкуса, запаха, цветности и мутности. -М., 1988. с.7.

18. Лурье Ю.Ю. Унифицированные методы анализа вод. М., 1971. - с.368.

19. Кузнецов B.C., Мискевич И.В., Зайцева Г.Б. Гидрохимическая характеристика крупных рек бассейна Северной Двины. JL, 1991. - с. 194.

20. Ивченко Б.П., Мартыщенко JI.A. Информационная экология. С.-П.: Нордмед-издат, 1998. - 202 с.

21. Mathcad 6.0 PLUS. Финансовые, инженерные и научные расчеты в среде Windows 95. -М.: Информационно-издательский центр «Филинъ», 1997. 400 с.

22. Львовский E.H. Статистические методы построения эмпирических формул. -М.: Высшая школа, 1982. 224 с.

23. Демиденко Е.З. Линейная и нелинейная регрессии. -М.: Финансы и статистика, 1981.-302 с.

24. Айвазян И.С., Енюков И.С., Мешалкин Л.Д. Прикладная статистика. Основы моделирования и первичная обработка данных. М.: Финансы и статистика, 1983.-472 с.

25. Айвазян И.С., Енюков И.С., Мешалкин Л.Д. Прикладная статистика. Исследование зависимостей. М.: Финансы и статистика, 1985. - 488 с.

26. Владимиров A.M., Ляхин Ю.И., Матвеев Л.Т., Орлов В.Г. Охрана окружающей среды. Л.: Гидрометеогодат, 1991. - с.212—216.

27. Математические модели контроля загрязнения воды / Под ред. А.Джеймса. -М.: Мир, 1981.-472 с.

28. Математическое моделирование / Под ред. ДжЭндрюса, Р.Мак-Лоуна. М.: Мир, 1979.-278 с.

29. Марчук Г.И. Математическое моделирование в проблеме окружающей среды. -М.: Наука, 1982.-320 с.

30. Румишский Л.З. Математическая обработка результатов эксперимента. М.: Наука, 1982. - 192 с.151

31. Пэнтл Р. Методы системного анализа окружающей среды. М.: Мир, 1979. -с.76-78.

32. Родзиллер И.Д. Прогноз качества воды водоемов приемников сточных вод. -М.: Стройиздат, 1984. - 264 с.

33. Руководство по химическому анализу поверхностных вод суши. Л. Гидрометеоиздат, 1977. - с.288.