Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Прогноз и регулирование качества поверхностных вод

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

Автореферат диссертации по теме "Прогноз и регулирование качества поверхностных вод"

комитет российской федерации по водному хозяйству

российский научно-исследовательский институт комплексного использования и охраны водных ресурсов

ПГ- А Г, (РосНИИВХ)

* ■ Ь М

УДК 543.3 На правах рукописи

1 ' ГСМ ' rir-.tr

ПОПОВ Александр Николаевич

ПРОГНОЗ И РЕГУЛИРОВАНИЕ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОД (НА ПРИМЕРЕ РЕГИОНА УРАЛА)

Специальность: 11.00.11 - Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Екатеринбург, 1995

Работа выполнена в Российском НИИ комплексного использования и охраны водных ресурсов Комитета Российской Федерации по водному хозяйству.

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, проф. Г.Д.Харлампович

Доктор химических наук, проф. В. Т.Каплин

Доктор технических наук, проф. АА Матвеев

Ведущее предприятие: Ростовская Государственная академия строительства, г.Ростов-на-Дону.

Защита состоится •и* _1995 г. в 14 час. на за-

седании диссертационного Совета Д.099.01.01 при Российском научно-исследовательском институте комплексного использования и охраны водных ресурсов (РосНИИВХ) по адресу:

г.Екатеринбург, ул.Мира, 23.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке РосНИИВХ по адресу:

620049, г.Екатеринбург, ул.Мира, 23.

Автореферат разослан "23" е/£'1</Ъу£б-,_199£гГ

Отзыв на автореферат, заверенный гербовой печатью, просим направлять по адресу:

620049, г.Екатеринбург, ул.Мира, 23, РосНИИВХ.

Ученый секретарь диссертационного Совета Д.099.01.01,

формат 60x84 1/16. Объем 2,5 печ. л. бумага офсетная. Гарнитура Книжная. Тираж 100 экз. Зараз 2561

Издательство "Виктор" 620049, Екатеринбург, ул. Мира, 23

Вехнепышминская типография 624080, Верхняя Пышма, Свердловской области, ул. Кривоусова, 11

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. В настоящее время миропонимание человечества достигло такого уровня, который позволяет сформулировать принципы его взаимодействия с окружающей средой. Касаясь конкретно водных ресурсов, можно сказать следующее: есть все основания считать воду критическим критерием устойчивого развития - не только в экономико-экологическом смысле, но и в социально-эстетическом отношении.

Для удовлетворения потребностей человека в воде общество создало сложные ВХС, по своей структуре состоящие из взаимосвязанных подсистем: природной, технической и экономической. Наличие в структуре ВХС рек, озер, водохранилищ и каналов объективно требует решения ряда водоохранных проблем, возникающих в процессе их эксплуатации или создания.

Для Уральского региона, в частности, сброс сточных вод -реальность современного технологического уровня, которая будет реализоваться еще в течение длительного времени. Вполне естествен вопрос о динамике и направленности процессов самоочищения от поступающих со сточными водами (даже с нормативно очищенными) ингредиентов и о возможном вторичном загрязнении, поскольку на разбавление остаточных загрязнений на Урале нет свободных водных ресурсов. Водохозяйственная и санитарная практика показала необходимость учета таких процессов.

Основным источником воды для ВХС являются, как правило, реки и созданные либо проектируемые на них водохранилища, на гидрохимический режим которых оказывает значительное влияние хозяйственная деятельность на водосборе и акватории.

При эксплуатации существующих водохранилищ возникает ряд задач, основными из которых являются сохранение или улучшение качества воды и гидробиологического режима при хозяйственном воздействии на водоисточник, для чего требуется прогнозирование их состояния при фактических антропогенных нагрузках на них.

При создании нового водохранилища конкретного назначения уже на стадии ТЭО возникает вопрос о соответствии его гидробиологического и гидрохимического состояния требованиям, предъявляемым к нему заказчиком, на что должен ответить прогноз его режима в заданном конкретном створе.

На Урале источником воды для водоснабжения населения могли бы служить и озера, но в настоящее время преобладающее их количество вследствие естественного и антропогенного евтрофирования находится в состоянии, не позволяющем их эксплуатацию без проведения восстановительных мероприятий, выбор которых в настоящее время велик. Но для восстановления 1 конкретного водного объекта оптимальны отдельные из них или их набор.

Таким образом, наличие в ВХС таких компонентов, как реки, каналы, водохранилища, порождает ряд частично или полностью нерешенных проблем, из которых можно выделить наиболее актуальные и сложные:

- прогноз качества воды водотоков при антропогенной нагрузке с учетом процессов вторичного загрязнения и самоочищения, использование самоочищения в качестве фактора формирования заданного качества воды;

- прогноз гидрохимического и гидробиологического состояния проектируемых водохранилищ, выбор конкретных водоохранных мероприятий, которые будут способствовать формированию заданного качества воды в создаваемых водохранилищах;

- прогноз гидрохимического и гидробиологического состояния водохранилищ при длительных сработках уровней;

- выбор методов восстановления евтрофных водоемов, использование которых в народном хозяйстве экономически и экологически целесообразно;

- регулирование качества воды водных объектов, входящих в ВХС

Главной целью диссертации является разработка методов прогноза

гидробиологического и гидрохимического состояния водных объектов Урала, как эксплуатируемых, так и проектируемых, и регулирования качества воды водотоков и водоемов УЭР, основанных на результатах исследования комплексного влияния на водные объекты различных видов хозяйственной деятельности.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

- изучить закономерности процессов вторичного загрязнения от источников, сформировавшихся под воздействием различных видов хозяйственной

. деятельности;

- изучить закономерности процессов самоочищения водных объектов от различных ингредиентов в условиях, максимально приближенных к натурным;

- изучить динамику поступления лимитирующих биогенных элементов в водную массу из внутренних источников (донные отложения, водная растительность), взаимосвязь между потоком лимитирующего биогенного элемента и физико-химическими свойствами воды и продукционными процессами;

- разработать расчетную методику определения потока лимитирующего биогенного элемента с территории водосбора.

Предметом исследования являются динамика процессов ассимиляции ингредиентов биоценозами водных объектов, вторичного загрязнения, взаимосвязь между поступлением биогенных элементов, состоянием освоенности площади водосбора, морфометрическими параметрами водоемов и их гидрохимическим и гидробиологическим состоянием.

Объектом исследования являются водотоки и водоемы Уральского региона.

Работа выполнена в соответствии с тематикой работ, выполняемых Урал-НИИВХ в период 1975-1990 гг.

В основу исследований положены лабораторное, математическое и натурное моделирование, системный комплексный подход к анализу полученных автором и имеющегося в литературе материала. Для количественного описания опытных данных были использованы стандартные методы математической статистики и пакет статистических прикладных программ для ПЭВМ "51а1дгаПсз".

Научная новизна работы:

- впервые получены кинетические зависимости процессов самоочищения природных вод Урала от соединений наиболее распространенных металлов при различных условиях функционирования водных экосистем и внешних факторов;

- впервые определены ограничительные концентрационные условия и зависимости функционирования отдельных звеньев гидробиоценоза в водных системах, содержащих соединения отдельных металлов;

- впервые получены кинетические и количественные параметры вторичного загрязнения водных объектов продуктами микробиальной деструкции сульфидных минералов, поступивших в водотоки и на водосбор в результате хозяйственной деятельности и при трансформации донных отложений различного состава в зависимости от внутренних и внешних факторов;

- для условий типичных водных объектов Урала при расчете баланса биогенных веществ введены составляющие, регулируемые внутриводоемными процессами;

- впервые определена сорбционная емкость оксигидратов железа по отношению к соединениям металлов в условиях водного объекта;

- для условий типичных водных объектов Урала разработаны математические модели, отражающие участие в процессах круговорота фосфора основных звеньев биоценоза;

- для условий типичных водоемов Урала разработаны математические ^ модели для учета процессов вторичного загрязнения при прогнозе' качества воды водотоков.

На защиту выносятся: теоретические и экспериментальные положения, выводы по разработке основ прогноза качества воды в малых реках, подверженных интенсивному антропогенному воздействию, прогноза гидробиологического и гидрохимического состояния проектируемых и эксплуатируемых водохранилищ и методов регулирования качества воды водных объектов.

Практическая значимость: на основе научных результатов диссертации выполнены разработки, позволяющие проводить прогноз качества при-

родных вод при интенсивном антропогенном влиянии на них, проводить выбор наиболее оптимального метода восстановления зарастающего водоема, регулировать качество воды по содержанию таких компонентов, как соединения металлов. В частности, разработаны:

- методика прогноза качества воды малых рек с учетом процессов вторичного загрязнения и самоочищения; 1

- методика прогноза гидрохимического и гидробиологического состояния проектируемых водохранилищ;

- рекомендации по выбору метода восстановления и мелиорации евтроф-ного водоема;

- методика прогноза гидрохимического и гидробиологического состояния водохранилищ при. заданном режиме эксплуатации;

- методика организации защиты малых рек от рассеянного стока, содержащего ионы черных и цветных металлов;

- технологический расчет параметров ботанической площадки.

Результаты работы используются в лекционном курсе "Охрана окружающей среды" (УПИ им.С.М.Кирова, кафедра водного хозяйства и технологии воды) для специальностей 1204, 1217, НИМИ, кафедра ГРИиОВР для специальности 31.10, Уральском институте народного хозяйства при чтении курса "Прогнозирование и планирование природопользования в регионе".

Основные результаты работы внедрены:

- в практику проектирования институтов "Южгипроводхоз", "Уралводока-налпроект", "Свердловскгражданпроект", Проектно-технологического бюро УралНИИВХ;

- при разработке прогноза качества воды и определении параметров нагрузок на водохранилища. ПО "Свердловэнерго";

- при разработке биологического способа регулирования качества воды по специфическим для медеплавильной промышленности компонентам - Крас-ноуральским медеплавильным комбинатом и Кыштымским медеэлектролит-ным комбинатом;

- Дегтярским филиалом Уралхиммаша при разработке мероприятий по восстановлению оз.Ижбудат.

Полученные автором материалы вошли во "Временные методические рекомендации к разработке прогнозов изменений медико-биологической обстановки в связи с территориальным перераспределением водных ресурсов", в "Методические указания к экспериментальному изучению процессов трансформации химических веществ при их гигиеническом регламентировании в воде", утвержденные Минздравом РСФСР и СССР 1984 и 1985 гг. соответственно, и в методические рекомендации "Санитарная охрана водоемов и атмосферного воздуха в районе размещения предприятий цветной металлургии", утвержденные Минздравом РСФСР в 1990 году.

Результаты исследования использованы при обосновании и составлении схемы комплексного использования и охраны водных ресурсов Уральского экономического района.

Фактический экономический эффект от внедрения в производство составил 2,6 млн руб., расчетный - от внедрения в проекты - 4 млн руб.

Апробация работы. Основные результаты исследований доложены и обсуждены-на 5, 6, 7, 8 Всесоюзных симпозиумах по современным проблемам качества воды водоемов (Таллин, 1975, 1979, 1987, 1990 гг.); 26, 27, 29 Всесоюзных гидрохимических совещаниях (Новочеркасск, Ростов-на-Дону, 1975, 1979, 1987 гг.); Всесоюзном совещании "Биофизические аспекты загрязнения биосферы" (Москва, 1973 г.); 4 Всесоюзном совещании "Круговорот вещества в водоемах" (Лиственичное-на-Байкале, 1977 г.); Всероссийской конференции "Гигиенические аспекты охраны внешней среды и оздоровления условий труда при развитии крупных промышленных комплексов в Сибири" (Москва, 1977 г.); Всесоюзной конференции "Оценка и классификация качества природных вод для водопользования" (Харьков, 1979 г.); Всесоюзном совещании "Круговорот энергии и вещества в водоемах" (Иркутск, 1981 г.); 3 Всесоюзном симпозиуме "Антропогенное евтрофирование водоемов" (Москва, 1983 г.); Всесоюзном симпозиуме "Научные основы оптимизации, прогноза и охраны природной среды" (Москва, 1986 г.); Всесоюзном лимнологическом совещании "Водные экосистемы, структура, продуктивность..." (Лиственичное-на-Байкале, 1985 г.); Всесоюзном симпозиуме "Биотехнические и химические методы охраны окружающей среды" (Самарканд, 1988 г.); на ряде региональных и координационных совещаний, конференций и семинаров, а также на ВДНХ СССР и РФ путем экспонирования технологии регулирования качества воды в водных объектах, г.Москва, 1989, 1992 гг.

Публикации: По теме диссертации материал опубликован в 2 монографиях, 43 статьях, 23 тезисах докладов, 5 брошюрах, получено 5 авторских свидетельств. Под руководством автора, был подготовлен и опубликован сборник "Прогноз и регулирование качества воды".

Объем и структура работы: Диссертация состоит из введения, восьми глав, выводов, списка использованной литературы, включающего 301 наименование и приложения. Работа изложена на 262 страницах машинописного текста, содержит 84 рисунка и 55 таблиц. В приложении представлены сведения о внедрении и экономическом эффекте.

Автор выражает глубокую признательность коллективу отдела восстановления рек и водоемов РосНИИВХ за большую помощь при выполнении настоящей работы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении раскрывается актуальность проблемы, обосновывается необходимость разработки методик прогноза и регулирования качества воды водных объектов с использованием внутриводоемных процессов, цели и задачи диссертационной работы.

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ ПРОЦЕССОВ ВТОРИЧНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ И САМООЧИЩАЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ

В главе дан анализ литературных данных по вопросам самоочищения и вторичного загрязнения, который позволяет сформулировать следующие основные положения:

1. Процессы вторичного загрязнения изучены недостаточно для учета их в водохозяйственной практике.

2. В изучении процессов самоочищения наиболее разработан и приближен к практическим вопросам "кинетический" подход. Внедрение в водохозяйственную практику "перекисной" теории и имитационных математических моделей процессов самоочищения сдерживается недостаточной проработкой вопроса. К тому же эти два подхода не затрагивают вопросов самоочищения от большинства неорганических ингредиентов, что для ряда регионов в настоящее время весьма актуально.

3. В настоящее время для решения практических задач в Уральском регионе целесообразно развитие традиционного "кинетического" подхода к учету самоочищения наряду с другими методами. Направление развития -учет вторичного загрязнения, внешних и внутренних факторов на кинетические параметры.

2. ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Натурные исследования процессов самоочищения, вторичного загрязнения и выхода биогенных элементов из донных отложений проводилось на 23 различных участках рек, типичных для Урала и расположенных в бассейнах рек Камы и Тобола, и на ряде озер, расположенных в зоне Среднего, Южного и Северного Урала. Опыты проводились в периоды зимней и летней межени.

Основные гидравлико-морфометрические параметры водотоков, осред-ненные по участкам, колеблются в широких пределах и являются характерными практически для всех рек Урала, включая водные магистрали - рр.Ка-му, Тобол и Белую.

В основном исследования были проведены на рр.Тагил, Исеть, Сорья и озерах Шарташ, Таватуй и Шигирское, Рефтинском и Исетском водохранилищах. Практическая проверка полученных результатов осуществлялась при проведении научных исследований и разработке водохозяйственных мероприятий на рр.Сысерть, Миасс, Белая, Тура, Уфа, озерах Увильды, Аятское, ' Ижбулат, водохранилищах -Шершневском, Аргазинском, Волчихинском, Ня-зепетровском и проектируемых - Верхне-Араслановском и Иштугановском (Башкирском).

3. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Исследования процессов самоочищения и вторичного загрязнения проводились на водных объектах и в условиях лабораторного моделирования.

При лабораторном моделировании эксперименты по изучению процессов самоочищения и вторичного загрязнения проводились в статических'и динамических условиях. В статике эксперименты проводились по классической схеме (скляночный эксперимент) и по методике, разработанной автором, позволяющей определить скорости окисления ингредиентов в воде в заданный момент времени при поддержании определенных концентрационных параметров. В динамических условиях использовались круговые гидравлические лотки и система, включающая прямоточный лоток, приемную емкость и систему перекачки.

Исследование самоочищения в системах с высшей водной растительностью (ВВР) и определение пределов токсичности проводилось в аквариумах с максимальным приближением всех климатических параметров к натурным. При этом стандартными методами исследовались и физико-химические процессы, протекающие в системе (гидролиз, сорбция, соосаждение, окисление и восстановление).

Исследование процессов окисления Ре2+ и гидролиза Ре3+ проводилось по принятым в практике химических исследований методикам.

Исследование самоочищения в натурных условиях проводилось по общепринятой методике, предложенной гидрохимическим институтом. Вторичное загрязнение исследовалось с помощью изолятов (мезокосмов), конструкция которых предложена автором.

Процессы регулирования качества воды исследовали на полупромышленной ботанической площадке площадью 2 га и емкостью 30000 м3.

Пробы воды, донных отложений, растений обрабатывались с применением современных методов химического и фазового анализа, включая атомно-

абсорбционную спектрофотометрию, рентгенфазовый анализ, физиологические исследования культур бактерий. Расчеты проводились с помощью ПЭВМ.

4. САМООЧИЩАЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ ВОДОТОКОВ УРАЛА

Самоочищающая способность водных объектов от различных ингредиентов различна. В практической же деятельности чаще всего приходится встречаться с прогнозом содержания следующих ингредиентов в природных водах: совокупность органических веществ (БПК^^), отдельные органические вещества (чаще всего нефтепродукты), неорганические вещества (чаще всего соединения металлов), соединения азота, взвешенные вещества.

Самоочищение от совокупности органических веществ. Натурные эксперименты, проводимые на реках Уральского региона, показали необходимость корректировки рекомендуемых для расчетов уравнений. Поэтому была предпринята попытка в натурных условиях изучить динамику процессов самоочищения от совокупности органических веществ и представить ее с помощью сравнительно простого уравнения квазистационарного процесса, приняв определенные допущения: "константа" скорости самоочищения на однородном участке остается неизменной от входного до выходного створа. Исследования проведены в лабораторных условиях и на реках Уральского региона в период летней и зимней межени на участках различной загрязненности и содержащих органические вещества разной структуры и трансформирован-ности.

Установлено, что "порядок" процесса в наибольшей степени зависит от температуры среды и состава органического вещества. Зависимость "п" от температуры выражается уравнением:

п=[а1д(Т+ I)]1, (1)

где: Т - температура, "С;

а - коэффициент, изменяющийся от 0,5 до 0,595.

Зависимость "п" от состава органического вещества выражается уравнением:

п = аеЬх + С, (2)

где: х - отношение БПК/ХПК.

Четкой зависимости п = ((С) (порядка от концентрации) не получено. Во всех экспериментах при довольно высоких концентрациях органических веществ отмечено снижение величины "п" с приближением к нулю при снижении температуры.

Серия опытов, проведенная на реках, позволила получить зависимости величины "К" от концентрации при температурах 20 и 2°С. Для условий летней межени:

к = о.об с, (3)

зимней:

К = 0,02 С. (А)

где: С0 - исходная концентрация органического вещества, выражаемая величиной БПК .

пали

В условиях зимней межени, когда величина порядка процесса близка к нулю, уравнение для определения концентрации органического вещества в каком-либо створе примет вид:

Лг = Со.(1-0,075т), (5)

Для условий лет ней межени:

Сг = (0,06« г + Со"1]"05. (6)

Представленные данные получены при проведении лабораторного и натурного моделирования с водой р.Тагил, являющейся приемником сточных вод Нижне-Гагильского промузла. При проверке адекватности полученных результатов фактическому состоянию дела на рр.Исеть, Белая максимальное отклонение расчетной концентрации органического вещества в замыкающих створах от фактически полученной составляет 18%, для р.Белой - 22,35%.

На основании полученных данных определена перерабатывающая способность (ПС) водотоков на заданных участках. (ПС) в период летней межени может быть рассчитана по уравнению: '

/ 4-0,5

ПС = С0 -(О.Облг + Со""] , (7)

в зимний период: ЯС = С0.(1-<?0'075').

Представленные положения справедливы при отсутствии вторичного загрязнения и интенсивной продукции органического вещества экосистемой водотока, и в аэробных условиях.

Самоочищение водотоков от соединений металлов. Исследовалось самоочищение водотоков от соединений железа, хрома, меди, цинка, мышьяка, свинца, кадмия.

Самоочищение от соединений хрома: самоочищение от хрома рассмотрено по той причине, что в некоторых регионах Урала происходит уже неконтролируемое загрязнение водных объектов его соединениями. Поступает хром в воду в указанном районе в основном в виде бихромата (чаще всего К2Сг20;).

Практически в аэробных условиях, которые характерны для водотоков Урала, загрязненных хромом, при лабораторном моделировании с использованием природных вод не отмечено самоочищения от соединений Crvi+. Исследования, проведенные на водных объектах (р. Чусовая), показали, что самоочищения от соединений хрома на участке протяженностью 150 км практически не происходит.

Самоочищение от соединений металлов в присутствии высших водных растений. Соединения металлов (Си, Zn, Fe, Pb, As, Cd и др.) поступают в природные воды Урала со сточными водами предприятий металлургического комплекса и в результате вторичного загрязнения.

Следует ожидать, что основным фактором самоочищения в данном конкретном случае будут процессы физико-химические и физические. Однако не исключено, что существенную роль могут играть в самоочищении и различные звенья экосистемы: высшая водная растительность, водоросли, микрофлора.

Исследования проводили прежде всего с наиболее распространенными на Урале видами высшей водной растительности - рогоз, тростник. Определялось накопление и некоторыми специфическими видами, получившими распространение на ряде водных объектов Среднего Урала - водяная сосенка, частуха подорожниковая.

Изучение самоочищения проводили поэтапно в различных системах:

1) без донных отложений и без растительности; • 2) без донных отложений с растительностью;

3) без донных отложений с остатками высшей водной растительности. Исследования проводились в лабораторных и натурных условиях.

В табл.1 представлены результаты определения накопления ингредиентов некоторыми видами исследуемых растений.

Установлено, что кинетика процесса самоочищения водного объекта от соединений металлов может быть описана уравнением:

Таблица 1

Накопление ингредиентов высшими водными растениями

Объекты Коэффициент накопления

исследования Сс1 Си РЬ Ре Тп Са Ав

Листья рогоза, зеленые 17 0,02 13 0,09 0,03Ь 255 0,03

Корень рогоза 22 0,15 15 0,65 0,57 157 0,48

Листья тростника, зеленые 17 0,09 12 0,58 0,41 12 0,03

Корень тростника 16 0,237 12 0,68 108 278 0,18

Воляная сосенка 23 0,2 0,9 0,08 0,02 - -

где: К - "константа" скорости процесса; п - порядок процесса;

г - время добегания, сутки; Со - исходная концентрация, мг/дм3;

£"-Сг/С0 ; Сг- концентрация к моменту времени г, мг/дм3.

В табл.2 представлены кинетические параметры процесса самоочищения от металлов в системе без донных отложений при различных величинах рН.

В лабораторных условиях было изучено влияние процесса разложения растительных остатков на динамику и результаты самоочищения от соединений металлов и определены кинетические характеристики их в системах "вода - донные отложения" и "вода - растительные остатки". Результаты представлены в табл.3.

Установлено также, что в процессе распада остатков высшей водной растительности происходит загрязнение системы минеральными формами азота и б случае малых исходных величин рН (ниже 7) — повышение последней до 7,5.

В целом в системе, содержащей высшую водную растительность и ее остатки, наблюдается самоочищение от ионов Ре2+,3+, РЬ2+, Сс13+, Си2+, Аз^, 2п2+.Остаточное содержание вышеперечисленных ингредиентов в растворе в конечном счете определяется гидролитическим равновесием при замеренной величине рН. По известным методам рассчитаны соотношения между различными формами гидролиза и содержание компонентов в природных водах при различных величинах рН.

Результаты анализа воды многих рек Урала показывают заметное содержание ионов Ре2+, что объясняется определенными условиями: вторичным

Таблица 2

Кинетические параметры процесса самоочищения от металлов в системе без донных отложений при различных величинах рН

рН Т, "С Яе3* Си2+ РЬ2* А.**

п К п К п К п К п К

7 20 2 0,78 3 0,173 2 0,146 4 1,9.10"3 1 0,64

6 20 1 1,16 - 0 1 0,451 4 0,83.10'2 2 0,241

3,9 20 2 0,96 0 0,32 - 0 1 0,31 2 0,008

7 3 2 0,102 1 0,04 - 0 1 0,023 4 0,052

загрязнением, присутствием восстановителей (органические соединения, сероводород). По мере увеличения концентрации растворенного в воде кислорода происходит переход Ре2+ -» Ре3+ с последующим гидролизом последнего и осаждением оксигидратов, являющихся хорошим сорбентом, который может выводить из системы часть соединений металлов. Динамика и равновесие в подобных процессах в натурных условиях не изучены.

Прежде всего оценили динамику процесса перехода Ре2+ - Яе3+ и осаждения оксигидрата последнего. Установили следующее:

- в условиях, существующих в природных водах, процесс окисления двухвалентного железа протекает достаточно быстро и не является лимитирующим процесса осаждения оксигидратов трехвалентного железа;

- осаждение оксигидратного осадка из небуферного раствора, содержащего Ре3+, начинается при рН = 3. При рН = 5,5 равновесие устанавливается

Таблица 3

Кинетические параметры процесса самоочищения от соединений металлов в системе при наличии остатков высшей водной растительности

рН Аэробные условия

А»»* Си2+ РЬ2* гп2*

п К п К п К п К п К

5 3 0,0018 1 0,089 1 0,255 1 0,019 0 0,079

7 3 0,002 1 0,056 0 0,0001 0 0,72 0 0

Анаэробные условия /

7 1 0,164 1 1,14 3 5,26 - - 2 0,11

5 1 0,137 1 1,45 2 0,74 - - 1 0,029

Примечание: динамика процесса описывается уравнением (9), решенным относительно С.

уже в течение первых 5-10 минут с низким остаточным содержанием железа, соответствующим, по-видимому, растворимости осадка в данных условиях.

Исследование осаждения оксигидрата железа и соосаждения с ним соединений меди, цинка, свинца, мышьяка и других проводили непосредственно в водном объекте в зимний период. Основная масса соединений осаждается в первые 5-6 часов. Далее процесс идет сравнительно медленно и заканчивается на 3-4 сутки. Результаты натурного эксперимента показали, что даже в условиях пониженных температур происходит выпадение элементов из системы как при сравнительно высоких концентрациях железа (18-20 мг/дм3), так и при низких. Сорбционная емкость (Э) осаждающегося оксигидрата железа в конкретных условиях следующая: для - 0,09 мг/мг, для Си2+ - 0,8 мг/мг, для Сс12+ - 0,002 мг/мг, для Аву+ -практически равна нулю.

Результаты экспериментов по исследованию самоочищения в системе с высшими водными растениями показали, что при низких значениях рН наибольшее влияние на снижение концентрации ингредиентов оказывают процессы гидролиза, осаждения оксигидратов и сорбции. Так, при натурном эксперименте, проведенном при рН 3,5-3,9, содержание компонентов в поверхностном слое донных отложений (в виде корочки, состоящей из смеси нерастворимых соединений) составило (в %): Ре - 82,63; Ъ\ - 14,01; РЬ - 0,04; Сс1 -0,035; Аэ - 2,91, что в балансе выведенных из системы компонентов составляет более 90%.

Известно, что многие минеральные компоненты могут находиться в природных водах в виде комплексных соединений. Расчеты показали, что в незагрязненных водах значительная часть компонентов находится в свободном состоянии, в загрязненных - все рассматриваемые катионы, за исключением полностью связаны в комплексные соединения. Практически все образующиеся комплексные соединения способствуют увеличению валового содержания катионов за счет перераспределения между растворимыми и нерастворимыми формами, что в свою очередь приводит к существенному изменению качества воды, ухудшению самоочищения от неорганических загрязнений.

Воды рек Урала характеризуются присутствием гуминовых кислот, которые являются хорошими комплексообразователями. В зависимости от величины рН раствора и соотношения между концентрациями гуминовых кислот и металлов, последние либо удерживаются в растворе, либо выводятся в осадок. Для меди осадок образуется при соотношении 1: (0,5-1), для Zn - 1; (5,58) (металла к осадку). Однако этот осадок растворяется при достижении определенной величины рН. Присутствие в воде гуминовых кислот способствует удержанию меди и алюминия в растворе в интервале рН=6,5-9, цинка - 7,5-9 и тормозит образование оксигидратов этих металлов. ...

Экспериментальные исследования показали, что гуминовые вещества практически останавливают процессы самоочищениярл соединений меди* и цинка; на скорость самоочищения от мышьяка, железа, свинца практически не влияют. . • .

5. ВТОРИЧНОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ

В реальных условиях в водных объектах протекает параллельно текущий, но обратный самоочищению процесс, условно названный вторичным загрязнением.

Вторичное загрязнение при воздействии на водный объект городских сточных вод. Следует ожидать, что при сбросе в водоток городских сточных вод за счет микробиальной деструкции донных отложений, в которые поступает основная масса взвешенных веществ, содержащих углеводы, белки, жиры, аминокислоты и другие органические вещества, вторичное загрязнение будет способствовать увеличению концентрации растворенных органических веществ, азотсодержащих ингредиентов, азота, метана, сульфидов и пр. Моделирование процесса вторичного загрязнения в данном конкретном случае проведено с наиболее обогащенными органическим веществом донными отложениями (до 70%).

Поступление растворенного органического вещества из донных отложений в воду описывается кубичным сплайном вида (10):

5 = АХ} + ВХ2 + СХ + £ (10)

Поступление аммонийных соединений из донных отложений в результате вторичного загрязнения описывается кубичным сплайном того же вида. Поступление ионов аммония с поверхности донных отложений в воду составит максимально 0,7 г/сутки с 1 м2 донных отложений, органического вещества (БПК_) - 0,93 мг/л сутки с 1 м2.

Стабилизирующиеся донные отложения активно выделяют газы в течение 40-42 недель. Максимально выделяется 42 литра с 1 м2 поверхности донных отложений, что приводит к всплытию донных отложений (20-25 кг с 1 м2), отмечается их перемешивание, что способствует обогащению речной воды ингредиентами, содержащимися в поровой воде (в основном это соединения аммония). Один килограмм донных отложений будет поставлять в воду при перемешивании 39,6 мг N14^ (по азоту) в течение очень короткого периода. Количество ионов аммония, поступающих в воду с 1 м2 донных отложений при их перемешивании, составляет примерно 13200 мг. При сбросе в водоток недостаточно очищенных сточных вод выход ИН4+ из донных отложений в воду при их взмучивании составляет 39000 мг/м2.

Вторичного загрязнения соединениями металлов, поступающими из донных отложений, не происходит.

Из донных отложений поступают и соединения фосфора, которые являются одной из причин евтрофирования. Это поступление различно в аэробных и анаэробных условиях, при вспучивании и всплытии донных отложений. Максимальный выход фосфора из поверхностного слоя донных отложе-

ний в аэробных условиях составляет 13 мг/м2, в анаэробных - 90 мг/м2. Содержание общего фосфора в поровой воде составляет 5 мг/дм3. Вторичное загрязнение при взмучивании донных отложений составит 50д, где Од -объем взмучиваемых отложений. При низких температурах (3-4°С) поступле- . ние минеральных соединений фосфора не отмечалось, начинается его заметный выход при 8-10°С. Из донных отложений, содержащих 15-20% органического вещества, выход минерального фосфора не наблюдается.

Помимо вторичного загрязнения указанными ингредиентами исследуемые донные отложения являются активным поглотителем растворенного в воде кислорода. Его количество, которое может быть поглощено из воды донными отложениями на участке их дислокации, может быть определено по уравнению (11), выведенному в результате обобщения экспериментальных данных, полученных автором.

где: ДМо2 - масса кислорода, поглощаемая донными отложениями на участке;

С - концентрация органического вещества в донных отложениях, %;

а - асимптота, численно равная 32%; Ь - коэффициент;

V - скорость потока, км/сут; г - время пробега воды на участке, сут.

Вторичное загрязнение при поступлении в водный объект ливневых сточных вод. Основными загрязняющими компонентами поверхностного стока с территории городов являются взвешенные вещества, содержание которых колеблется от 4 до 23000 мг/дм3, органические вещества (по БПК5) - от 40 до 120 мг/дм3, нефтепродукты (7-350 мг/дм3). Содержатся также соли аммония, . нитраты, нитриты, соединения металлов. Взвешенные вещества представлены в основном минеральными частицами различной гидравлической крупности. Экспериментальные данные показали, что основная масса взвесей ливнестока при -поступлении в водный объект оседает в течение первых трех часов экспозиции как в статических, так и в динамических условиях. Основная масса загрязнений приходится на фракции с гидравлической крупностью от 0,1 до 0,05 мм/сек и менее и составляет 70-95%.

Вторичное загрязнение природных вод взвешенными веществами в случае размывания дойных отложений потоком можно описать известным уравнением Шамова.

Нефтепродукты поступают с ливневыми сточными водами в растворенном, эмульгированном и сорбированном состоянии. До 3% веса донных от-

(11)

ложений составляют сорбированные на них нефтепродукты. После поступления ливневого стока в водный объект с одного килограмма взвешенных веществ ливнестока десорбируется 4,9 грамма нефтепродуктов.

При постоянном поступлении в водный объект ливнестока вторичное загрязнение нефтепродуктами из донных отложений практически постоянно и составляет 0,44 мг/м2 сутки в летний период и 0,04 мг/мг сутки - в зимний в зоне Среднего и Северного Урала.

При прекращении сброса в водный объект ливневых сточных вод будет происходить выработка пятисантиметрового активного слоя донных отложений, содержащих до 3% нефтепродуктов.

Процесс самоочищения речных вод от нефтепродуктов (без учета вторичного загрязнения) может быть описан уравнением (9) с параметрами "п" и "К", равными 2 и 4Ю"4 сут"' (в условиях летней межени), соответственно. В условиях зимней межени следует ожидать только вторичного загрязнения, которое минимально и не является существенным.

Среднее содержание нефтепродуктов (в поровой воде) составляет 20 мг/ кг. Процесс вторичного загрязнения нефтепродуктами за счет взмучивания можно описать уравнением (12):

ДСВ' = А,92ц, (12)

где: АСи' - количество нефтепродуктов, поступающих в воду при взмучивании донных отложений, мг/дм3;

и - концентрация взвешенных веществ, мг/дм3 (по уравнению Шамова).

В целом процесс самоочищения от нефтепродуктов с учетом вторичного загрязнения в период летней межени может быть описан уравнением:

-7/7

•С0

с7/7

„2 аК!

-1

(а + С%)

„7а К:

(а ~ С/я )

+ 1

Я

НК

(13)

а

где: я - вторичное загрязнение, мг/м2 сутки; Ь - средняя глубина, м; К - "константа" скорости самоочищения, 1/сут; т - время добегания до контролируемого створа, сутки; С нп - исходная концентрация нефтепродуктов, мг/дм3; Снп - искомая концентрация нефтепродуктов, мг/дм3. В зимний период превращение нефтепродуктов в воде описывается эмпирическим уравнением:

Сп =С?Л .е0'05'-0*™', (14)

Снижение концентрации нефтепродуктов за счет процессов самоочищения до величин, меньших ПДК, не может быть достигнуто. Вторичного загрязнения другими ингредиентами от исследуемых донных отложений не происходит. Потребление растворенного в воде кислорода ими составляет: в летний период - 1,48 мг/м2 сутки, в зимний - 0,14 мг/м2 сутки.

Влияние сточных вод предприятий черной металлургии на формирование качества воды и вторичное загрязнение. Эксперименты проведены со сточными водами двух крупных металлургических предприятий Свердловской области, на одном из которых осуществляется полный цикл превращения руды в продукцию, на втором производится прокатка листа и изготовление труб. Основными загрязняющими веществами в сточных водах этих предприятий являются взвешенные вещества, нефтепродукты и соединения трехвалетного (в основном) железа.

Формирование донных отложений, вторичное загрязнение, и самоочищение происходит аналогично процессу, протекающему при поступлении в водный объект ливневых сточных вод.

Соосаждение нефтепродуктов с образующимися оксигидратами железа практически не происходит. Десорбция составляет 3-4 мг нефтепродуктов на 1 г взвеси или донных отложений. Вторичное загрязнение взвешенными веществами рассчитывается /ю уравнению Шамова. Вторичного загрязнения ионами Ре2+ и Ре3+ не наблюдалось. Изменение концентрации нефтепродуктов в воде в зимний и летний периоды описывается уравнениями (13) и (14).

При комбинированном сбросе (совместно с бытовыми сточными водами) вторичное загрязнение можно охарактеризовать процессами, сущность которых изложена выше.

Вторичное загрязнение при воздействии на водный объект сточных вод предприятий цветной металлургии, перерабатывающей сульфидные руды и соединения хрома. В результате сброса сточных вод предприятий цветной металлургии в донных отложениях и на водосборах ряда уральских рек накопилось значительное количество шламов, содержащих сульфидные руды.

Исследования указывают на окисление сульфидов тионовыми бактериями.

Результаты эксперимента по исследованию вторичного загрязнения воды исследуемыми донными отложениями, содержащими сульфиды металлов, представлены в табл.4.

При температуре 2-4 °С процесс практически затухает.

Оптимальный для жизнедеятельности тионовых и железобактерий интервал рН составляет 3,2-7.

В целом самоочищение от соединений металлов при различных значениях порядка процесса описывается следующими уравнениями:

Таблица 4

Поступление ингредиентов из донных отложений при различных рН (мг/м2 сутки) (в период летней межени)

рН БО«2- Г А*** Си2+ РЬ2* 2п2* А13* Ре3*

7,3 2190 31 0,111 3,1 0,18 6,6 17 12 77

4,9 4030 34 0,29 22,1 0,55 37 80 2379

3,9 4290 91 0,46 - 0,92 54 98 2502

при нулевом порядке:

с = с0+Ц£-1); (15)

при первом порядке процесса:

С = а + (С0 - а) ■ е'к\, здесь а = д/ПК) (16)

при порядке, равном 2:

аЩ.е*"-1)

С - Д + Са 2аЛГ( , ! . здесь а = ^д / (17)

а-Са

где: я - поступление ингредиентов в воду за счет процессов вторичного загрязнения, г/м2 сутки; Ь - средняя глубина реки, м;

К - константа скорости процесса; г - время экспозиции, сутки; п - порядок процесса.

При величинах порядка, равных трем или четырем, определение концентрации к моменту времени г проводится по графику, строящемуся как зависимость X = ((Т) (рис. 1).

^ 1 1 *+1 1

Т= 4'1п—(18>

Т = тК(йУ-"\ х=С.ф"\ (19)

Если загрязнение поступает с поверхностным стоком со шламового поля, содержащего сульфидные минералы, то влияние его на качество воды в створе поступления определяется общеизвестным балансовым методом. Концентрации ингредиентов в поверхностном стоке со шламовых полей достигают следующих величин: Н2Б04 - до 0,05 N. БО* - до 6000 мг/дм3, Ре2+ - до 3500 мг/ дм3, Си2+ - до 100 мг/дм3, 1пг* - до 800 мг/дм3, - до 20 мг/дм3.

15

45

60

75

90

105 120 Т-102

Рис. 1. График для определения концентрации ингредиента в период времени г при порядках процесса выше 3.

Определение вторичного загрязнения соединениями хрома проводилось на водотоках, подверженных влиянию сточных вод предприятий, производящих его соли. В качестве основного возможного источника вторичного загрязнения исследовались донные отложения. Количество соединений хрома в них изменяется в незначительных пределах и на момент исследований составляло: в створе выпуска - 0,05%, на расстоянии 130 км от выпуска сточных вод - 0,008%. Эксперименты, проведенные с указанными донными отложениями, показали, что вторичного загрязнения хрома не происходит.

Содержание шестивалентного хрома в поровой воде не превышает его концентрации в речной, что косвенным образом указывает на инактивацию в донных отложениях процессов, способствующих переходу хрома из нерастворимых форм в растворимые. Не отмечено и вторичного загрязнения солями хрома трехвалентного.

6. ПРОГНОЗ КАЧЕСТВА ВОДЫ ВОДОТОКОВ

На основе анализа материалов, полученных автором и изложенных в литературе, предложены уравнения для прогноза качества воды водотоков с учетом процессов самоочищения и вторичного загрязнения для Уральского региона.

В качестве расчетного принят створ полного перемешивания, который, как показали исследования автора, проводимые на малых реках Урала, находится в 1000-1500 метрах ниже створа сброса сточных вод.

Концентрация ингредиента в этом створе определяется общеизвестным уравнением баланса вещества в водотоке.

Алгоритм расчета содержания специфических минеральных компонентов (соединения металлов). При отсутствии очагов вторичного загрязнения при различных ситуациях используется уравнение (9) и данные таблиц 2 и 3.

Если водоток протекает по р', ~гу, заросшему высшей водной растительностью, снижение концентрации таких элементов (при Т = 20 °С), как мышьяк, медь, цинк и свинец, описывается уравнением экспоненты. Величины К для этого случая следующие: Asv+— 0,212; Zn2+ — 0,129; Pb2+— 0,107; Cu2+ — 0,153.

Если русло реки заилено торфоподобными донными отложениями, то самоочищение от ионов меди заметно только на 5-6 сутки и описывается уравнением:

С = Сй-0,08 (г-6), (20)

где: т - время начала экспозиции, но не менее 6 суток.

Изменений в процессе самоочищения от мышьяка по сравнению с предыдущим вариантом нет. Снижение концентрации свинца и цинка описывается уравнением экспоненты, величина К при этом составляет 0,032 и 0,039 соответственно.

При условии вторичного загрязнения водотока соединениями металлов за счет распада сульфидных минералов донных отложений концентрации ингредиентов определяются по уравнениям (1б)-(20). Параметры поступления ингредиентов из донных отложений представлены в табл.4.

Если источником вторичного загрязнения является шламовое поле (поверхностный сток), влияние его на изменение качества воды в створе поступления определяется балансовым методом с учетом концентраций ингредиентов в поверхностном стоке. В дальнейшем процесс самоочищения описывается уже известными уравнениями (в зависимости от условий).

Алгоритм расчета содержания компонентов, поступающих с ливневыми сточными водами. Концентрация взвешенных веществ в речной воде после поступления ливнестока через заданное время определяется по известным в литературе уравнениям. Средние концентрации взвешенных наносов в воде за счет размыва донных отложений потоком рассчитываются по уравнению Шамова. Вторичное загрязнение нефтепродуктами составляет: летний период - Р = 0,44 мг/м3 сут; зимний период - Р = 0,04 мг/м3 сут. При взмучивании донных отложений потоком вторичное загрязнение нефтепродуктами определяется по уравнению (12).

Процесс самоочищения от нефтепродуктов в летний период с учетом вторичного загрязнения описывается уравнением (13) с величиной К, равной 0,004. В зимний период самоочищение от нефтепродуктов описывается уравнением (14). При концентрациях нефтепродуктов, близких к 0,3 мг/л, процессы самоочищения практически затухают.

Алгоритм прогноза качества воды при поступлении в водоток городских сточных вод. При поступлении в водоток городских сточных вод по уравнению (1) определяется порядок процесса; в летний период содержание органического вещества в створе определяется по уравнению (8), в период зимней межени - по уравнению (5). Вторичное загрязнение органическим веществом в данном случае можно не учитывать.

Вторичное загрязнение соединениями фосфора (общий фосфор) в аэробных условиях составляет 13 мг/м2 сут. В анаэробных условиях - 90 мг/м2 сут. Концентрация его в воде может быть рассчитана по уравнению (21) подстановкой вместо Ао соответственно 13 и 90 мг/м2*сут.

С = А Б/864000.. (21)

Вторичное загрязнение соединениями аммония за счет процессов утилизации донных отложений составляет 0,7 г/м2,сут (максимум). Увеличение концентрации в воде за счет поступления из донных отложений при максимальных их загрязнениях органическим веществом рассчитывается по уравнению:

СМН( = 0,75/86400(3, (22)

где: Б - поверхность донных отложений, м2; О - расход воды, м3/с.

Поступление соединений аммония при размыве донных отложений достигает величины, равной в среднем 44-« мг/м2 донных отложений, где /< определяется по уравнению Шамова. При брожении "свежих" донных отложений поступление соединений аммония достигает 39000 мг/м2 сут; при брожении стабилизированных донных отложений - 13000 мг/м2 сут. Расчеты приведены для наиболее загрязненных участков донных отложений.

Прогноз качества воды р. Белой в верхнем и среднем течении. Прогноз приведен в качестве иллюстрации разработанных методик.

Расчеты и натурные исследования показали, что расчетные концентрации чаще всего ниже полученных при обследовании водных объектов. По основной массе компонентов отклонение колеблется в интервале 0 - 20%.

7. ПРОГНОЗ ГИДРОБИОЛОГИЧЕСКОГО И ГИДРОХИМИЧЕСКОГО состояния ВОДОХРАНИЛИЩ

Предлагаемый подход справедлив к водохранилищам, трофический уровень которых лимитируется фосфором. В работе не затрагивался вопрос прогноза содержания макрокомпонентов, а прогнозируется гидробиологическое состояние водоемов и концентрации ингредиентов, образующихся за

счет продуцирования водным объектом биомассы (органические вещества, соединения азота, фосфора и пр.).

Прогноз гидробиологического и гидрохимического состояния проектируемых водохранилищ. Предлагаемый подход к прогнозу основан на расчете, прогнозировании и сравнении потоков фосфора в водные массы проектируемого водохранилища и водохранилища-аналога.

Одним из наиболее важных вопросов в решаемой задаче является выбор водоема-аналога. В частности: водоем-аналог и проектируемый должны быть расположены в одной климатической зоне; эрозионные процессы на водосборах не должны значительно отличаться; минерализация воды водоемов -аналога и проектируемого не должна значительно различаться; оба водоема (проектируемый и аналог) должны относиться к одному морфологическому типу; взаимное расположение по отношению к акватории главного притока и главного истока должно быть сходным у обоих водоемов; доля площади мелководий при среднем уровне наполнения в обоих водоемах не должна отличаться более чем в три раза. Должны быть близки годовая динамика уровней и разброс их колебаний.

Годовое поступление общего фосфора с водосборной площади в водоем. Предложено три способа расчета потока фосфора с водосбора в водоем: натурный, смешанный и расчетный. Наиболее точен -первый, наименее - третий. Потоки фосфора с водосборачв проектируемое водохранилище и водоем-аналог рекомендуется определять каким-то одним способом.

Некоторые величины поступления фосфора приняты едиными для всех способов: поступление в водный объект от отдыхающих (в том числе рыбаков) составляет 0,12 г за одно человеко-посещение (одни сутки). ,

Вынос фосфора из водоема с вылавливаемой рыбой примерно 0,345% от ее сырого веса.

Поступление фосфора с атмосферными осадками, выпадающими непосредственно на акваторию водоема, принимать равным 0,005 гР/м2 для территории со слабым, 0,015 гР/м2 год - с умеренным, 0,03 гР/м2 год - с сильным и 0,05 гР/мг год и более - с очень сильным загрязнением воздуха. С листопадом в воду может поступать до 104 rP/год на 1 км облесенного берега, если лес смешанный, то приведенную цифру надо умножить на долю лиственных пород в составе леса.

Индивидуальная составляющая годового поступления фосфора с водосбора при использовании натурного способа определяется как сумма вносимого в водоем компонента всеми возможными источниками его поступления.

При расчетном способе определения поступления фосфора с водосбора в водоем принимается: с гектара городской территории за счет ливневого выноса через канализацию выносится фосфора: при отсутствии промышленности - 500 гР/га год; если все население занято в промышленности - 3000 гР/га год; промежуточный случай рассчитывать интерполяцией;

- неорганизованное поступление с водосбора, подверженного сильной эрозии, может достигать 50-Ю3 гР/га год и более и должно измеряться в натурных условиях (с учетом эрозии);

- неорганизованное (диффузное) поступление фосфора за счет вымывания из почв с территорий, не упомянутых выше, определяется с учетом внесения фосфора на водосбор с удобрениями или загрязнениями, естественного выноса из почв данного уровня естественной трофности, особенностей вносимых удобрений, площади рассматриваемого участка водосбора от уреза воды, эрозии почв, способа внесения удобрений, обеспеченности почв фосфором.

Количество фосфора, производимого на данной территории (с загрязнениями): от одного жителя, проживающего в неблагоустроенной застройке -103 гР/год; если территория канализована - 10'- расход сточных вод, гР/год, если канализационная система впадает в рассматриваемый водоем или его приток.

Количество фосфора в продуктах жизнедеятельности скота следующее (на 100 кг живого веса): лошади - 19-Ю3, крупный рогатый скот -17-Ю3, свиньи - 45-103, овцы - 20-103, куры - 31-Ю3.

Поступление фосфора со сточными водами рекомендуется определять путем непосредственных замеров.

Из одного килограмма затопленной древесины поступает 0,00119 г фосфора в год.

^ - коэффициент удержания фосфора в вышележащем водохранилище, определяется по уравнению:

где: дм - коэффициент поверхностного стока вышележащего водохранилища, м/год.

На этот коэффициент умножается вынос фосфора с водосбора вышележащих водохранилищ.

Годовое поступление общего фосфора с водосбора в водохранилище (I гР/год) определяется суммированием всех возможных поступлений с поправочным коэффициентом.

Годовое поступление общего фосфора из внутренних источников Внутренними источниками приняты донные отложения, водоросли, высшие водные растения.

Поток фосфора из донных отложений в воду (на единицу площади водохранилища), при окислении на дне нестойкого мертвого органического вещества макрофитов (ПМ1|, гР/год), равен:

/?„ = 0,426 ехр(-0,271О+ 0,574 ехр(-0,00949О

(23)

где: К^ - поправочный коэффициент;

Рм.ж - годовая продукция ¡-й группы сообщества макрофитов на единицу площади;,

аМ|ан ' средневзвешенная доля фосфора в биомассе, гР/г орг.в-в.

Рассчитывается также поток фосфора в воду из донных отложений за счет распада стойкого органического вещества. Определяется также поток фосфора из донных отложений в воду (на единицу площади водохранилища), обусловленный окислением нестойкого мертвого органического вещества планктонного происхождения на дне (Ппв, гР/м2 год), который равен:

Ппк = 0,00021 • Кп , (25)

где: Кп1 - поправочный. коэффициент;

[В(аи] - годовая биомасса фитопланктона, г/м3.

Приведенный суммарный поток фосфора в водную массу рассматриваемого водохранилища (П , гР/м2 год) равен:

Я = • [/ + 5(Я + ПВк )] ■ (1 - Л) + Лм , (26)

Собственно прогноз гидробиологического состояния и качества воды проектируемого водохранилища. Трофический уровень водохранилища, как проектируемого, так и аналога определяется по известному приведенному суммарному потоку фосфора в его водное тело (Поум_ ) и его средней глубине с помощью известного графика Фоленвайдера или на основе фактических исследований. Степень трофности водохранилища рекомендуется характеризовать отношением П /П Относительная трофность проектируемого водохранилища (по отношению к водохранилищу-аналогу) равна отношению степени трофности проектируемого водохранилища к таковой водохранилища-аналога.

Усредненная по объему водной массы среднегодовая (или средняя за вегетационный сезон) концентрация биомассы фитопланктона в воде проектируемого водохранилища, а также минимальная и максимальная концентрации биомассы фитопланктона в воде этого водохранилища определяются путем умножения соответствующих величин для водохранилища-аналога на поправочный коэффициент Кп).

Усредненные по объему водного тела среднегодовые окисляемость (пер-манганатная или бихроматная) и БПК (биохимическое потребление кислорода) воды проектируемого водохранилища, а также минимальные и макси-

мальные значения окисляемости и БПК воды этого водохранилища определяются путем умножения соответствующих величин для водохранилища-аналога на относительную трофность проектируемого водохранилища.

Количество зообрастаний на единице площади оборудования водозабора и внутренних поверхностей водоводов проектируемого водохранилища по достижении им возраста, какой имело и водохранилище-аналог на момент обследования, будет примерно равно таковому водохранилища-аналога, умноженному на относительную трофность проектируемого водохранилища.

Показатели бактериального загрязнения воды проектируемого водохранилища будут примерно во столько же раз более (менее) благоприятны, во сколько раз степень трофности проектируемого водохранилища меньше (больше) степени трофности водохранилища-аналога.

Валовая годовая продукция макрофитов и талломных водорослей для проектируемого водохранилища определяется из расчета, что приходящаяся на единицу площади мелководий (глубины от 0 до 4 м) продукция макрофитов и талломных водорослей в водохранилище-аналоге равна таковой в проектируемом водохранилище. Доля акватории, занятая макрофитами и-тал-ломными водорослями, определяется из расчета, что доля площади мелководий, занятая макрофитами и талломными водорослями на водохранилище-аналоге, равна таковой на проектируемом водохранилище.

Прогноз гидробиологического состояния и качества воды Иштуга-новского (Башкирского) водохранилища. Прогноз приведен в качестве примера. В качестве водохранилища-аналога выбрано Нугушское водохранилище, расположенное в одной зоне с проектируемым и отвечающее необходимым требованиям.

На основании полученных в результате расчетов данных можно сказать следующее: трофность Башкирского водохранилища будет в 1,556 раз больше, чем трофность Нугушского с соответствующими концентрациями биомассы гидробионтов.

Прогноз качества воды в водохранилищах при заданных режимах эксплуатации. В основу прогноза положены методика определения фосфорной нагрузки на водоем, регрессионные зависимости между концентрацией хлорофилла "а", содержанием фосфора, цветностью и прозрачностью. Прогноз пригоден для тех объектов, где продуктивность контролируется фосфором, которые находятся под постоянным, но не катастрофическим антропогенным воздействием и в которые нет поступления и токсичных веществ.

Для перехода от биомасс фитопланктона и макрофитов, рассчитываемых по данной методике, к химическим компонентам используются известные коэффициенты.

Вычисление биологических и химических параметров проводится по следующим уравнениям:

- концентрация хлорофилла "а"(Х) в водоемах Уральской зоны определяется по уравнению X = (27), где: (Р) - концентрация фосфора.

Прозрачность воды вычисляется как

5 =_1_

0,112-0,012(РХ)0,88 + 0,043Х0,75 ' (28)

где: (РТ) - цветность по платиново-кобальтовой шкале;

(X) - концентрация хлорофилла "а".

Здесь поочередно используются средние и максимальные значения Р, РМ, РТ, РТМ. (РМ и РТМ - максимальные значения Р и РТ).

Далее по известным уравнениям рассчитывается биомасса водорослей, накопленная за весь безледный период и площади распространения высших водных растений. Необходимо также знать среднюю биомассу водной растительности в водоеме.

При разложении биомассы фитопланктона или макрофитов в воду выделится

Мс

ПК.

П(М1)

п(т = и^и-Аь))' (29)

где: КР|(М0 - коэффициенты пересчета биомассы фитопланктона или макрофитов в хим.соединение соответственно;

- зависимость объема водоема от уровня; А(к>) - фактический водообмен.

Пример проведения прогноза. Пример использования методики показан на Исетском и Аргазинском водохранилищах. Для Исетского водохранилища расчеты показывают, что за вегетационный сезон при НПУ в водохранилище может образоваться примерно равная масса фитопланктона и макрофитов, но при повышении содержания в воде фосфора валового или возрастании цветности воды, на долю микроводорослей будет приходиться в 4-5 раз больше биомассы. За счет разложения органического вещества в водоем могут поступать соединения в количествах, рассчитанных по уравнению (29). При сработке уровня в маловодные годы до отметки УМО, то есть на 0,96 м при соответствующем уменьшении поверхностного стока, в водохранилище биомасса фитопланктона (средняя и максимальная) будет составлять 3,9х1012 и 7,бх10'2 мг соответственно, а макрофиты могут образовать до 22x10" мг сухого органического вещества, то есть в 3-4 раза больше. Поступление прогнозируемых веществ возрастает в 1,5-2 раза. Подобные расчеты приведены и для Аргазинского водохранилища.

8. РЕГУЛИРОВАНИЕ КАЧЕСТВА ВОДЫ

Выбор метода восстановления конкретного зарастающего водоема. Предлагаемый ниже подход базируется на определении и сопоставлении потоков фосфора в водоем, последующем установлении доли каждого, выборе способа воздействия и оценке влияния этого воздействия. Его применение возможно при соблюдении следующих граничных условий:

- водоем не должен принимать сточные воды, содержащие ядовитые для гидробионтов вещества;

- соотношение концентраций азота валового к фосфору валовому дожно быть не менее семи.

Ниже приведены полученные автором уравнения, позволяющие рассчитать, какому снижению величины П эквивалентна реализация на водоеме того или иного метода восстановления:

- создание проточности эквивалентно снижению величины П на величину С,:

С, = <|Рк1 - [Р2])^0б/рв, (30)

где: [Р,], [Р2] - концентрация фосфора соответственно в заменяемой и в замещающей воде, гР/м3; - площадь зеркала водоема, м2; У7о6 - обмениваемый за год объем водоема, м3/год;

- полное удаление донных отложений эквивалентно снижению величины П^ на величину С2:

С2 = Пс)м-Лсв. (31)

Кроме того, увеличение глубины водоема в связи с удалением донных отложений повысит величины П ;

крит'

- предотвращение поступления фосфора с водосбора снижает П на величину С3:

С3 = Я„; (32)

- химическая коагуляция фосфора эквивалента снижению величины П на величину С,:

с4 = к,В,; 0 < К,вр < (Псум - Пдм), (33)

где: Вр - количество коагулянта, вносимого за год на 1 м2 акватории, г; Кр - сорбционная емкость коагулянта по отношению к соединениям фосфора;

- техническое изъятие фитопланктона из водоема эквивалентно снижению П^ на величину С5:

С5 = аеГ .(Вп -Ва)-\^оу (34)

где: В(|, В(2 - концентрация биомассы фитопланктона (сухой вес) в воде соответственно до и после очистки от водорослей, г/м3;

Woч - очищаемый за год объем воды, м3/год;

- ежегодное полное техническое изъятие макрофитов из водоема снизит поток фосфора в воду на единицу, равную содержанию этого элемента в биомассе растений;

- создание экосистемы с высокой продукцией рыб, питающихся макрофитами и фитопланктоном, снизит поток фосфора на величину его содержания в биомассе отлавливаемой рыбы и поедаемых рыбой водорослях и растительности (с учетом усвояемости).

Повышение уровня водоема изменяет суммарный поток фосфора в его водную массу в разной степени в зависимости от времени, прошедшего после изменения уровня. Непосредственно после повышения уровня поток изменится в наибольшей степени.

Кроме того, вследствие изменения средней глубины водоема при повышении его уровня изменится величина П . Следует отметить, что при повышении уровня некоторых водоемов может увеличиваться доля занятой мелководьями площади в общей акватории и соответственно уменьшаться его средняя глубина. В таком случае величина П^ (а иногда и П^,) превысит П^, а величина Пкри1 будет уменьшаться. Повышение уровня такого водоема не приведет к его восстановлению.

На основании приведенных расчетов определяется, применение какого из рассмотренных методов на изучаемом евтрофном водоеме даст эффект, эквивалентный необходимому снижению нагрузки фосфором, либо увеличит его глубину до необходимого уровня (при сохранении прежней нагрузки).

Пример оценки эффективности некоторых методов восстановления. В качестве примера приведена оценка эффективности различных методов восстановления для высокоевтрофного озера Шарташ, находящегося в черте г. Екатеринбурга.

Расчеты показали, что наибольшей эффективности можно достичь при полном удалении донных отложений из озера; суммарный поток фосфора в его водное тело снизится на 90%, средняя глубина озера приблизится к б м, за счет чего величина П увеличится с 0,11 гР/м2 год до 0,145 гР/м2 год, что при складывающейся ситуации переводит озеро практически в мезотроф-ное состояние. Остальные методы не приведут к заметному улучшению состояния озера.

Повышение уровня Шарташа на 2,5 м при сохранении прежней площади зеркала переводит озеро в умеренно евтрофное состояние.

Регулирование качества воды по содержанию соединений металлов Предварительные исследования на натурных объектах, в которые поступали сточные воды, загрязненные ионами металлов, показали, что при прохождении воды через заросли высшей водной растительности в ней заметно снижаются концентрации ингредиентов. Так, содержание железа уменьшается в 125-700 раз, меди - в 1,5-8 раз, цинка - в 1,6-6 раз, мышьяка - до 10 раз, свинца -до 3 раз, кадмия - в 3-6 раз, величина pH увеличивалась с 4,2 до 7,2. Установлено, что растительность может активно функционировать в определенном диапазоне концентраций компонентов в воде, при превышении которого начинается ее угнетение и отмирание.

Определение пределов токсичности по величине pH и концентрации соединений металлов для высшей водной растительности (ВВР). Определение проводилось экспериментальным путем для водяной сосенки, рогоза узколистного и тростника обыкновенного.

Эксперименты с водяной сосенкой показали, что вода токсична для нее при следующих показателях: pH 3-3,5, Zn2+ - 40-50 мг/дм3, As(Y+) - в концентрации, превышающей 2 мг/дм3, ионы фтора - 25-30 мг/дм3.

В опытах с тростником при концентрации AsY+ до 12 мг/дм3 растения развивались нормально. При повышении концентрации до 14 мг/дм3 состояние растений заметно ухудшается, т.е. растение угнетается.

В экспериментах с рогозом установлено, что при воздействии на растения растворами, содержащими мышьяк в концентрациях до 10 мг/л, растения развивались нормально. При концентрациях 10 мг/л мышьяк стимулирует образование подземной биомассы, 12-14 мг/л -приводит к гибели надземной части растений.

Концентрации F" в 25-30 мг/л токсичны для рогоза. Предельно токсичные концентрации ионов цинка для рогоза узколистного и тростника обыкновенного составляют 80-85 мг/л. Концентрации Си2+ в 24-28 мг/л вызывают уменьшение прироста биомассы, при этом отсутствуют побеги, желтеют листья. Однако эти концентрации не являются пределом токсичности для исследуемых растений. Следует отметить, что реальные концентрации этого ингредиента, наблюдаемые в водотоках, практически ниже заданных в лабораторном эксперименте.

Использование высшей водной растительности для очистки природных вод от соединений металлов. Результаты лабораторных экспериментов показывают, что в системе, содержащей как тростник, так и рогоз интенсивно снижается концентрация металлов. ВВР при этом развивалась ' нормально при всех концентрациях элементов, не превышающих пределов токсичности, накапливая при этом значительное количество компонентов. Так, рогоз накопил в листьях (в %): Cd - 0,22; Си - 0,05; РЬ - 0,13; Fe - 3,13; Zn -0,66; As - 0,01. Накопление корнями по всем ингредиентам, за исключением Cd, выше. '

Поглощение за период наблюдения рассчитано на среднюю наблюдаемую биомассу рогоза узколистного и тростника обыкновенного: рогоз узколистный при урожае наземной массы 1,6 кг и подземной - 1,83 кг с 1 м2; тростник обыкновенный при урожае наземной массы 0,380 кг, подземной массы - 0,441 кг с 1 м2.

Далее эксперимент был переведен на экспериментальную ботаническую площадку, для которой в качестве основного звена биоты были выбраны тростник обыкновенный и рогоз узколистный. Площадь ее -100 м2, объем -100 м3. Тщательная проверка баланса веществ показала, что половина удаленного количества металлов находится или в виде оксигидрата, либо сорбирована оксигидратом железа и осаждена на дне площадки и на стеблях растений.

Динамика процесса снижения концентрации ингредиентов может быть выражена эмпирическим уравнением:

У = 18а-Хь, (35)

где: У - концентрация, мг/дм3; X - время от начала экспозиции, сутки; а и Ь - эмпирические коэффициенты, имеющие различные значения для разных ингредиентов.

Об эффективности работы ботанической площадки можно судить по данным, приведенным в табл.5.

Заключительный этап исследований был проведен на полупромышленной ботанической площадке площадью 2 га и объемом 30 тыс.м3. Плотность посадки - 40 растений рогоза на 1 м2, близкая к естественной в данном регионе. Интродуцированная в одну из карт водяная сосенка не прижилась. Зарастание площадки по годам было следующим: первый год - 20%, второй - 60%, третий - 80%. Площадка расположена на зашламованной пиритом территории.

Таблица 5

Изменение концентрации ингредиентов на экспериментальной ботанической площадке (рН = 3,4)

Исходная Кони, через Кони, через Выведено Поглощено

Ингредиент кони., 2 суток, 10 суток, из сист. за расти-

мг/дм3 мг/дм3 мг/дм3 10 сут, г тельностью, г

^ 40,5 1,5 0,2 4030 1856

Си2* 4,5 2,01 0,7 380 156

Хп2* 21,3 12,2 6,5 1480 456

0,02 0,00 0,00 2 1,8

В первый год исследований на ботаническую площадку поступала вода с величиной рН, равной 3,2-3,5. Содержание компонентов составило: Ре3+ -44,6 мг/дм3, Си!+ - 9,36 мг/дм3, 1пг* - 36,12 мг/дм3, РЬг+ - 0,05 мг/дм3, СсЯ+ - 0,07 мг/дм3, А13+ - 27,5 мг/дм3, Аву+ - 0,03 мг/дм3. В системе наблюдались интенсивные процессы осаждения оксигидратов. Основная масса компонентов выпадает в течение первых двух суток. Изменение их содержания в воде 'во времени представлено в табл.6.

Таблица 6

Изменение содержания ингредиентов в воде во времени

Ингредиент Исходная кони., мг/дм3 Кони.через 2 суток, мг/дм3 Кони.через 10 суток, мг/дм3

Fe- 44,6 1,94 0,2

Cu2* 9,36 2,2 1,09

Zn2+ 36,1 13,6 7,6

Asv+ 0,03 0 0

Величина рН за 10 суток экспозиции увеличилась с 3,15 до 4,5. На дне" ботанической площадки после проведения экспериментов обнаружена пленка оксигидрата, напоминающая по структуре и внешнему виду пластовую ржавчину, толщиной 1-1,5 мм. Содержание (в %) основных компонентов в ней следующее: Fe - 82,63; Cu - 0,15; Zn - 14,01; Cd - 0,035; Pb - 0,04; Al - 2,01. В условиях данного эксперимента поглощение растительностью ингредиентов при 100% зарастании составляет 1,7-1,8%. В осенний период поглощение растениями несколько уменьшилось (по сравнению с весенне-летним).

Таблица 7

Баланс ингредиентов на ботанической площадке

Ингред» Внесено Извл. Осело на Осталось Кони., Извл. при 100% зарасг., %

енты на пл., кг раст., кг дно, кг в воде, кг мг/дм3

Fe3+ 1112,5 19,38 1088,12 44,5 0,2 96,9

Си2+ 234 0,404 210,35 9,36 1,09 20,2

Zn2+ 902 9,248 702,75 36,1 7,6 46,24

РЬ2+ 1,25 0,175 1,075 0 отс 0,875

Cd2+ 3 0,065 2,505 0,43 0,02 0,325

Al3+ 907,5 0,374 824,73 82,5 3,3 1,87

Asv+ 0,5 0,002 0,246 0,25 0,01 0,2

В табл.7 представлен баланс ингредиентов на полупромышленной ботанической площадке за 10-суточную экспозицию в летний период при поступлении на нее загрязненных вод с исходной рН 3,2.

В данном конкретном случае за первый вегетационный период на ботанической площадке задержано (кг): Яе - 3978, Си - 550, 2п -3356, РЬ - 3,25, Сс1

- 6,75, Лб - 1,7, что в % от внесенного составило: Рё - 94, Си - 91, 1п - 97, РЬ

- 88, С с) - 87, Аэ - 97. Поскольку условия проведения эксперимента граничили с пределами токсичности для выбранных ВВР, снизить концентрации ингредиентов до уровня ПДКри5 хо1 не удалось.

При повышении рН до величин, близких к нейтральным, что автоматически снижает и исходные концентрации других ингредиентов, за 10-дневную экспозицию произошло следующее снижение концентрации ингредиентов (мг/ дм3): Ре3+ - с 4 до 0,18, Си3+ - с 0,34 до 0,02, 2п2+ - с 4,21 до 0,7, Са1+ - с 0,022 до 0,00, А5(у+) - с 0,04 до 0,004. При рН, близких к 10, получены аналогичные результаты. Основным процессом, снижающим концентрацию ингредиентов в этом случае, является поглощение их биомассой растительности.

В целом трехлетние исследования работы полупромышленной ботанической площадки по очистке воды в весенне-осенний сезон показали высокую эффективность предлагаемого метода регулирования качества воды в этот период.

Эффективность работы ботанической площадки в зимних условиях. Установлено, что в зимних условиях при снижении активности биоты эффективно протекают процессы соосаждения и сорбции. Наличие же сравнительно большой биомассы отмершей высшей водной растительности приводит к быстрому установлению анаэробных условий и, как следствие, появлению сероводорода и образованию нерастворимых сульфидов исследуемых металлов, что допускается расчетом величин свободной энергии реакций образования этих соединений и подтверждается исследованием образующихся на дне осадков.

Исследование работы ботанической площадки в зимний период дало следующие результаты: концентрация железа в закачиваемой- воде составляла 5,5, меди - 1,26, цинка - 3,8, мышьяка - 0,08, свинца - 0,3 (мг/дм3). Величина рН - 7,3. Через 12 дней экспозиции имели: рН - 7,3; Ре3+ - 0,1; Сиг+ - 0,02; 1п2*

- 0,08; Аэу+ - 0,05 (мг/дм3); РЬ - не обн. В воде обнаружено до 0,08 мг/л Н28, содержание которого снизилось в 8-10 раз уже в процессе выпуска воды из биоплато.

Полученные данные показывают возможность активного использования ботанических площадок и в зимнее время. При этом время экспозиции соответствует таковому и в летний период.

Десорбция ингредиентов в воду (поступление в атмосферу) при разложении (сжигании) остатков высшей водной растительности. Исследования процессов вторичного загрязнения при деструкции отмерших

остатков ВВР с ботанической площадки показали, что при биомассе ВВР на площадке 5000 кг (сухой вес - 500 кг) и при объеме воды в ботанической площадке 10000 м3 произойдет следующее повышение концентрации поступивших за счет вторичного загрязнения ингредиентов: Ре3+ - на 0,001 мг/дм3, 2п1+ - на 0,00075 мг/дм3, Си2+ - на 0,00001 мг/дм3, РЬ2* - на 0,000075 мг/дм3. Следовательно, с данной точки зрения срезка отмершей растительности не обязательна.

Однако отмершая водная растительность будет ускорять скорость ее заиления. С этой точки зрения часть растительности необходимо удалять.

Технологический расчет параметров ботанической площадки для защиты водных объектов от соединений металлов, поступающих с рассеянным и локализованным стоком.

Необходимая исходная информация: концентрация ингредиентов в воде; расход загрязненных вод (О, м3/сек).

Ограничительные условия:

- минимальное время контакта загрязненных вод с гидробионтами составляет 10 суток;

- средняя глубина площадки не должна превышать 1,5 м;

- средняя плотность высаживаемых корней ВВР (рогоза, тростника) -4 шт. на 1 м2;

- площадь зарастания должна быть не менее 60%.

Расчет параметров ботанической площадки:

- объем площадки составляет 8б4000-()(() ) м3; (36)

- площадь площадки (Б) составляет 576000-(}(() ) м2; (37)

- количество высаживаемых корней составляет 2,4-5. (38)

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ

В настоящей работе решается важная для народного хозяйства страны проблема разработки и внедрения методических основ прогноза и управления качеством воды водных объектов для условий Уральского региона.

Разработаны теоретические основы прогнозирования качества воды водотоков с учетом таких факторов, как самоочищение и вторичное загрязнение, гидробиологическое и гидрохимическое состояние водоемов, как проектируемых, так и эксплуатируемых.

Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность регулирования качества воды по содержанию таких компонентов, как соединения металлов, с применением внутриводоемных процессов.

Наиболее существенные научные результаты, полученные автором, заключаются в следующем:

1. Установлено, что кинетические уравнения и их параметры, описывающие процессы самоочищения речных вод от всей суммы органических ве-

ществ, нефтепродуктов и соединений металлов, характерны для квазистационарных процессов и позволяют рассчитывать концентрацию исследуемых ингредиентов в створах ниже по течению и перерабатывающую способность водотоков по отношению к указанным компонентам.

2. Разработаны математические модели и определены параметры процессов вторичного загрязнения поверхностных вод Среднего Урала от донных отложений и других новообразований, появившихся под влиянием различного вида сточных вод: городских, ливневых, предприятий черной, цветной металлургии, машиностроения, при сплаве древесины. Установлены количества ингредиентов, поступающих при этом в воду: органических и взвешенных веществ, нефтепродуктов, соединений металлов (Ре, Си, 2п, РЬ, Аз), аммония, сероводорода, метана при различных условиях, оказывающих влияние на внутриводоемные процессы.

3. Разработаны математические модели, отражающие совокупный результат процессов самоочищения и вторичного загрязнения с учетом температуры воды, концентрации веществ и гидродинамических факторов, позволяющих проводить прогностические расчеты качества воды в водотоках, подверженных антропогенному воздействию.

4. Разработана методика прогноза качества воды малых рек Среднего Урала с учетом процессов самоочищения и вторичного загрязнения.

5. Для условий Среднего Урала разработаны математические модели расчета выноса фосфора с водосборных площадей различной степени освоенности и урбанизации, поступления его с атмосферными "осадками в зависимости от степени удаленности от источников, от сельхозпредприятий, проживающего на водосборе населения, выпасаемого скота, при различной рекреационной нагрузке, из внутренних источников и коэффициентов удержания биогенных элементов в вышележащих водоемах.

6. Для конкретного природного региона (Средний Урал) установлены регрессионные зависимости между продукцией хлорофилла "а" в водоеме, фосфорной нагрузкой, прозрачностью и цветностью воды, позволяющие прогнозировать содержание автохтонного органического вещества в водном объекте.

7. Разработаны методики прогноза качества воды и гидробиологического состояния проектируемых водных объектов и эксплуатируемых водохранилищ Среднего Урала при заданном режиме эксплуатации.

8. Разработана методика выбора способов восстановления конкретного евтрофного водоема и определения предельных антропогенных нагрузок на водные объекты Среднего Урала.

9. Теоретически обоснованы и экспериментально установлены пределы токсичности Си2+, Еп2+, А5У+, Р" для определенной группы высших водных растений (ВВР), коэффициенты накопления соединений металлов в них и оптимальная плотность посадки ВВР в конкретных условиях.

10. Разработаны технологические параметры, необходимые для регулирования концентрации в поверхностных водах Среднего Урала соединений металлов и сульфатов с использованием внутриводоемных процессов.

11. Разработана технология предотвращения вторичного загрязнения водных объектов соединениями металлов и сульфатами при трансформации донных отложений и искусственных геологических провинций, возникших под влиянием антропогенного фактора.

12. На основе использования закономерностей внутриводоемных процессов разработана методика регулирования в поверхностных водах Среднего Урала содержания соединений металлов, а также методика предотвращения загрязнения вод малых рек Уральского региона поверхностным стоком, загрязненным соединениями металлов и сульфатами.

13. Основные выводы и положения диссертационной работы нашли отражение в 2 проектах восстановления озер, в 2 проектах водохранилищ и в 2 проектах промышленных ботанических площадок с фактическим экономическим эффектом 2 млн рублей. Ожидаемый экономический эффект от внедрения ботанической площадки на Красноуральском медеплавильном комбинате составляет 4 млн рублей.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. A.c. 957539 (СССР). Способ биологической очистки сточных вод (в соавторстве с Браяловской В.Л. и др.). Заяал. 05.01.81; без права публикации.

2. A.c. 1380181 (СССР). Способ биологической очистки сточных вод от металлов (в соавторстве с Акуловым П.В. и др.). Заявл. 24.03.86; без права публикации.

3. A.c. 1541335 (СССР). Устройство для измерения интенсивности процессов в экосистеме водоемов (в соавторстве с Браяловской В.Л. и др.). Заявл. 19.07.87; опубл. 07.02.90, бюл.Ы 5.

4. A.c. 1129976 (СССР). Противофильтрационная композиция (в соавторстве с Браяловской В.Л. и др.). Заявл. 16.05.83; без права публикации.

5. A.c. 139519 (СССР). Способ удобрения почвы (в соавторстве с Гневашевым М.Г. и др.). Заявл. 31.05.85; опубл. 15.05.88, бюл. N 18.

СТАТЬИ

1. Басова Н.Г., Попов А.Н. Изменение содержания аммонийных ионов в речной воде //Водные ресурсы. 1977. - N2. - С.196-201.

' 2. Браяловская В.Л., Попов А.Н. Изменение концентрации некоторых неорганических веществ в речных водах //Охрана природных вод Урала. - Свердловск, Средне-Уральское кн.изд-во. - 1977. Вып.9. -С.65-69.

3. Попов А.Н., Басова Н.Г., Головырина Т.Н. К вопросу о самоочищении уральских рек от нефтепродуктов //Гидрохимия Урала. - Л.: Гидрометеоиздат, 1979. - Вып.6. -С.73-83.

4. Попов А.Н. Особенности самоочищения рек //Охрана речных вод Сибири. -Новосибирск: Наука, 1982. - С.17-21.

5. Попов А.Н., Вассин В.А., Браяловская В.Л. Влияние техногенных процессов на формирование качества поверхностных вод //Круговорот энергии и вещества в водоемах. - Иркутск, Лиственичное-на-Байкале. 1981. - С.42-43.

6. Попов А.Н., Браяловская В.Л. Методика прогноза качества воды водотоков -приемников сточных вод медеплавильной промышленности с учетом вторичного загрязнения //Комплексное использование и охрана водных ресурсов. Экспресс-информация. - М.: 1982. - Серия 4. - Вып.10. - С. 16-20.

7. Попов А.Н., Акулов П.В. Накопление высшей водной растительностью некоторых ингредиентов сточных вод цветной металлургии //Экологическое изучение гид-робионтов Урала. -Свердловск. 1985. - С. 15-17.

8. Попов А.Н., Морозов Н.В., Аксенов. В.И. Перспективы использования биоинженерного метода для охраны водных ресурсов от загрязнения тяжелыми металлами //Материалы Всесоюзного симпозиума "Научные основы оптимизации, прогноза и охраны природной среды". - Москва, 1986. - С.333-335.

9. Попов А.Н., Морозов Н.В., Аксенов В.И., Асонов A.M. Биологическая защита водоемов //Материалы Всесоюзного симпозиума "Научные основы оптимизации, прогноза и охраны природной среды". - Москва, 1986. - С.335-337.

10. Попов А.Н., Браяловская В.Л., Зацепин А.Н. О прогнозе и регулировании качества воды //Научно-технические проблемы водного хозяйства Урала и пути их решения. - Красноярск. 1980. - С.45-48.

11. Попов А.Н. Процессы трансформации загрязнений, поступающих в водные системы //Биофизические аспекты загрязнения биосферы. -М.: Наука, 1973. - С.122-123.

12. Попов А.Н., Яшин В.Н., Рыбина Е.Л., Сизикова М.Н. Особенности формирования качества воды в реках в условиях антропогенной нагрузки //Гидрохимия Урала. - Л.: Гидрометеоиздат, 1985. - N 9. - С. 10-17.

13. Попов А.Н., Акулов П.В., Браяловская В.Л. Растительность техногенных водоемов и ее использование в процессах очистки сточных вод предприятий цветной металлургии //Экологические основы рационального использования и охраны природных ресурсов. АН СССР. - Свердловск, 1987; - C.60-S1.

14. Попов А.Н., Браяловская В.Л. Влияние донных отложений, содержащих сульфидные минералы, на изменение качества природных вод //Материалы IV Всесоюзного симпозиума по современным проблемам самоочищения и регулирования качества воды. - Таллин, 1979. - С.161-163.

15. Попов А.Н., Желтоножко В.И., Соколов В.А. Ливневые воды как источники загрязнения водных объектов и процессы самоочищения от ингредиентов, вносимых этими водами //Материалы IV Всесоюзного симпозиума по современным проблемам самоочищения и регулирования качества воды. - Таллин, 1979. - С.98.

16. Мороков В.В., Львов А.П., Попов А.Н., Сапугольцев Н.П. Загрязнение и самоочищение р.Тагил в различные фазы водного режима //Гидрохимия Урала. - Свердловск. - 15. - Вып.З, 1973. -С.33-47.

17. Попов А.Н., Селянкина К.П., Браяловская В.Л. и др. Роль донных отложений в формировании качества воды водоемов //Материалы Всероссийской конф. "Гигиенические аспекты охраны Внешней среды и оздоровления условий труда при развитии круп.пром.компл. в Сибири". - Москва, 1977» - С.102-104.

18. Попов А.Н., Браяловская В.Л., Селянкина К.П. и др. Итоги исследования, гигиеническая эффективность оздоровительных мероприятий и прогноз санитарного

состояния водоемов в районах размещения предприятий медепл.пром-сти //Вопросы гигиены и профессиональной патологии в цветной и черной металлургии. Сб.научн.-трудов. - Москва, - вып.2, 1979, - с.43-48.

19. Львов А.П., Попов А.Н., Сапугольцев Н.П. К вопросу определения констант неконсервативности некоторых органических веществ //Водные ресурсы, 1974. - N 4.

- С.175-178.

20. Попов А.Н. О кинетике превращения органических веществ //Гидрохимия Урала. - Л.: Гидрометеоиздат, 1974. - N 4. -С.13-18.

21. Черняев A.M., Попов А.Н. и др. Формирование и регулирование качества воды рек Урала. - Свердловск, Средне-Уральское кн.изд-во, 1976. - 210 с.

22. Браяловская В.Л., Попов А.Н. О химическом составе речных вод Среднего Урала //Водные ресурсы, 1977. - N 6. - С.192-198.

23. Браяловская В.Л., Вассин В.А., Попов А.Н. О прогнозе качества воды водоемов-приемников сточных вод предприятий медеплавильной пром-сти //Охрана природных вод Урала. - Свердловск, - N 12, 1981. - С.19-26.

24. Попов А.Н., Браяловская В.Л., Вассин В.А., Насонова Е.П. Восстановление качества воды водотоков биологическим методом //Водное хоз-во Урала. - Красноярск, 1981. - С. 12-17.

25. Браяловская В.Л., Попов А.Н., Курис Л.И. О формировании качества воды крупных водотоков //Охрана природных вод Урала. -Свердловск, 1983. - N 14. -С.75-77.

26. Браяловская В.Л., Попов А.Н. Гидроботанический способ очистки воды водотоков от специфических для медеплавильной промышленности компонентов //Охрана природных вод Урала. - Свердловск, 1983. - N 14. - С.57-60.

27. Сидоркин В.И., Дерябин В.Н., Попов А.Н., Мухутдинов В.Ф. Современное состояние оз.Ижбулат и перспективы его оздоровления //Охрана природных вод Урала. - Свердловск, 1983. - N 14. -С.65-73.

28. Зацепин А.Н., Попов А.Н., Рыбина Е.Л. Временные рекомендации по выбору метода восстановления зарастающих водоемов. -Свердловск, Средне-Уральское кн.изд-во. 1983. - 33 с.

29. Попов А.Н., Акулов П.В. Применение бот.площадок как одного из возможных технических решений регулирования поверхностного стока //Методы обработки и использования поверхностного стока с территории пром. площадок и населенных мест.

- Челябинск. 1989. -С. 115-117.

30. Селянкина К.П., Борзунова Е.А., Попов А.Н. и др. Временные методические рекомендации к разработке прогнозов изменений медико-биологической обстановки в связи с территориальным перераспределением водных ресурсов. - Москва, - 45 с.

31. Акулов П.В., Попов А.Н. Накопление высшей водной растительностью некоторых ингредиентов сточных вод цветной металлургии //Экологическое изучение гид-робионтов Урала. -Свердловск, АН СССР, 1985. - С.11-15.

32. Попов А.Н., Сидоркин В.И. Инактивация фосфора в водоемах путем осаждения каустическим магнезитом //Охрана природных вод Урала. - Свердловск, 1986. -N 16. - С.44-47.

33. Руководство по использованию, регулированию и охране водных ресурсов малых рек РСФСР /Колл.авторов. - Свердловск, 1985. - 550 с.

34. Попов А.Н., Курис Л.И., Романов И.Т. Деструкция органических веществ в донных отложениях и учет ее влияния на кислородный режим водных объектов //

Материалы 7 Всес.симп.по совр.пробл.самоочищ., контроля кач-ва воды водоемов и озонирования. - Таллин. 1985. - С.154-156.

35. Попоа А.Н., Сизикова М.Н. Трансформация соединений хрома при поступлении их в водотоки //Водные экосистемы Урала, их охрана и рациональное использование. - Свердловск. АН СССР, 1987. -С.116-117.

36. Зацепин А.Н., Попов А.Н. Разработка методики прогнозирования сост.экосис-тем озер и малопроточных водохранилищ, ожидаемого после проведения восстановительных мероприятий //Экологические основы рационального использования и охраны природных ресурсов. -Свердловск. 1987. - С.69-70.

37. Полоз А.Н., Тараненко Т.Г., Оленеа A.M., Едаменко Л.И. Составление карт гидрохимического районирования малых рек Уральского региона //Экологические основы рационального использования и охраны природных ресурсов. - Свердловск. 1987. -С.81-83.

38. Зацепин А.Н., Попов А.Н. Разработка рекомендаций по составлению экспресс-прогноза гидробиологического состояния и качества воды проектируемых водохранилищ //Экологические основы рационального использования и охраны природных ресурсов. -Свердловск. 1987. - С.84-85.

39. Малые реки России /Колл.авторов. - Свердловск, Средне-Уральское кн.изд-во. 1988. - 316 с.

40. Попов А.Н. Проблемы прогноза и регулирования качества воды //Прогноз и регулирование качества воды. - Красноярск. 1989. -С. 5-9.

41. Попов А.Н., Браяловская В.Л., Зацепин А.Н., Любомудрова Л.Н. Учет поступления соединений черных и цветных металлов при прогнозе качества воды //Прогноз и регулирование качества воды. -Красноярск. 1989. - С.32-36.

42. Попов А.Н., Браяловская В.Л., Зацепин А.Н., Беличенко Ю.П. Роль самоочищения и вторичного загрязнения в изменении качества природных вод //Химия и технология воды. - Киев. 1989. - т. 11, -N 6. - С.564-567.

43. Яндыганов Я.Я., Овсяников Ю.А., Гудков И.Б., Яндыганов П.Я., Попов А.Н. Методические указания, типовые задачи и ситуации для студентов специальности 06.03 дневной формы обучения. -Екатеринбург, 1994. - 47 с.

44. Попов А.Н., Тараненко Т.Г. Фоновое содержание металлов в поверхностных водах Уральского региона //Охрана природных вод России. - Екатеринбург, 1992. -N 20. - С. 110-1)9.

45. Браяловская В.Л., Бердышева Г.В., Гневашев М.Г., Попов А.Н. Формирование химического и гидробиологического состава вод Волчихинского и Верхне-Макаров-ского водохранилищ //Охрана природных вод России. - Екатеринбург, 1992. - N 20.

46. Методические указания по экспериментальному изучению процессов трансформации химических веществ при их гигиеническом регламентировании в воде / Колл.авторов. - Москва, 1985.

47. Popov A.N., Deryabin V.N., Yashin V.N. Development of a systems model for predicting the quality of water in rivers and reservoir //Joint Soviet-Netherlands Seminar "Complex Water Resources Management", held in Ekaterinburg, October, 1991. - 4 p.

- C. 155-176,