Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Программный комплекс по прогнозированию и нормированию техногенных воздействий на водные объекты

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

Автореферат диссертации по теме "Программный комплекс по прогнозированию и нормированию техногенных воздействий на водные объекты"

Министерство природных ресурсов Российский научно-исследовательский институт комплексного . . использования и охраны водных ресурсов (РосНИИВХ)

1*1 О ОД

На правах рукописи

Садохина Едена Леонидовна

ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС ПО ПРОГНОЗИРОВАНИЮ И НОРМИРОВАНИЮ ТЕХНОГЕННЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА ВОДНЫЕ ОБЪЕКТЫ В МАСШТАБАХ РЕГИОНА

11.00.11 - охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Екатеринбург -1998

Работа выполнена в Институте экологии и генетики микроорганизмов Уральского отделения Российской академии наук

Научный руководитель:

Лепихин А.П., доктор географических наук, академик РАЕН Официальные оппоненты:

Чудков О.В., доктор экономических наук, профессор Бояршинов М.Г., кандидат технических наук

Ведущая организация: ИВП РАН г. Москва

Защита состоится 30 сентября 1998 г. в 13 часов на заседании специализированного совета Д 099.01.01 в Российском научно-исследовательский институте комплексного использования и охраны водных ресурсов (РосНЙИВХ) по адресу: 620049, Екатеринбург, ул. Мира, 23

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Российского научно-исследовательского института комплексного использования и охраны водных ресурсов (РосНИИВХ)

Отзывы на реферат просьба отсылать в двух экземплярах но

Автореферат разослан « » А1998 г.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат технических наук

Ю.С. Рыбаков

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. Современный технократический тип цивилизации основан на активном, все более полном вовлечении в производственную деятельность природных ресурсов. Широкое использование природных ресурсов в технологических процессах зачастую приводит к существенному ухудшению состояния различных экологических объектов, в том числе водных.

Пермская область является регионом с высоко развитой промышленностью, что обусловило значительное загрязнение поверхностных водных объектов на её территории. При этом многие водные объекты, расположенные на территории Пермской области, имеют не только локальное, региональное значение, но и способны оказать существенное влияние на состояние водных ресурсов на значительной части территории Российской Федерации. Это связано с тем, что р. Кама является самым крупным притоком важнейшей водной артерии России р. Волга.

Источники поступления загрязняющих веществ в водные объекты могут быть существенно различны. Помимо перманентного загрязнения, вызванного функционированием промышленных предприятий, нельзя не учитывать возможность аварийного попадания загрязняющих веществ в воду. Еще одним существенным фактором риска является повторное загрязнение водных объектов, связанное с выносом загрязняющих веществ из дойных отложений.

Таким образом, задачи контроля за состоянием поверхностных водных объектов Пермской области и регламентации воздействий на его основе представляются весьма важными. Однако сложные экономические проблемы, с которыми сталкиваются

государственные органы, осуществляющие мониторинг поверхностных водных объектов, приводят к тому, что сфера их деятельности не только не расширяется, а напротив — сужается. В данных обстоятельствах остро встает проблема целенаправленной концентрации всей совокупности информации, которая была накоплена за период функционирования этих органов.

Весьма важное влияние на экологическую ситуацию в поверхностных водных объектах играет регламентация техногенных воздействий на них. Следует подчеркнуть, что традиционный подход к проблеме оценки техногенного воздействия осуществляется в рамках локальной схемы «отдельный водовыпуск» -» «водный объект». Однако при достаточно высокой плотности техногенных, нагрузок, характерных для промытленно развитых регионов, данная схема является совершенно неприемлемой, так как техногенное воздействие, оказываемое на водный объект всей совокупностью источников загрязнения, расположенных в непосредственной близости друг от друга, нельзя рассматривать как арифметическую сумму воздействий каждого из источников.

Для объективной регламентации техногенных воздействий необходим достаточно полный учет всех источников загрязнения, как декларированных, так и потенциальных, расположенных в бассейне рассматриваемого водного объекта.

В настоящее время реализация такого подхода возможна только путем создания централизованной системы оперативного прогнозирования и нормирования техногенных нагрузок на водные объекты в масштабах региона и может быть осуществлена при условии достаточно полного использования возможностей современных вычислительных средств.

Цели и задачи диссертационной работы. Целью данной диссертационной работы является создание единого комплекса программных продуктов для централизованной системы оперативной оценки воздействия техногенных комплексов на водные объекты в масштабах крупного региона. Для обеспечения эффективной работы данного комплекса необходимо решить следующие задачи:

- централизованное хранение и последующее накопление информации:

- о состоянии водных объектов;

- об объектах водоотведения и составе отводимых стоков;

- прогнозирование содержания загрязняющих веществ в поверхностных водных объектах при различных гидрологических и гидрохимических режимах, составе и режимах сброса в него отводимых стоков;

- регламентация техногенных воздействий на водные объекты с учетом интереса всех водопользователей, расположенных в бассейне данного водного объекта.

Решение данных задач предусматривалось на примере Пермской области.

Научная новизна. Научная новизна работы состоит в выработке методологии, а так же её последующей реализации при создании комплекса программных продуктов, включающих как информационные базы данных, так и различные расчетные модули, обеспечивающие решение поставленных задач в масштабах крупного промышленного региона.

Практическая ценность. Созданные на основе разработанной методологии программные средства позволяют более оперативно и объективно решать задачи, как оценки состояния, так и

прогнозирования последствий техногенных воздействий, а так же осуществлять регламентацию этих воздействий на водные объекты. Данный программный комплекс успешно используется для указанных выше задач в Пермском областном комитете по охране природы в масштабах Пермской области. Отдельные элементы комплекса внедрены в ряде организаций, чья деятельность связана с проблемой оценки и регламентации техногенных воздействий на водные объекты, в том числе в Пермском городском комитете по охране природы, СТУЭКе (Северное территориальное управление экологического контроля, г. Березники), Сарапульском водоканале. Так же ряд программных модулей системы используется при практическом обучении студентов соответствующих специальностей в Пермском государственном университете и в Пермском техническом университете.

Результаты, выносимые на защиту.

Разработана методология создания и программная реализация централизованной системы оперативного прогнозирования и нормирования техногенных нагрузок на водные объекты в масштабах крупных промышленных регионов, включающая в себя:

- ведение баз данных по широкому спектру вопросов, связанных с экологическим мониторингом поверхностных водных объектов;

- прогнозирование последствий воздействий декларированных сбросов, а так же техногенных аварий, связанных с попаданием в поверхностные водные объекты загрязняющих веществ;

- нормирование вредных воздействий на водные объекты, как техногенного, так и бытового характера.

Апробация работы.

Основные положения и результаты работы докладывались на:

- Международном конгрессе «Вода: Экология и технология», Москва, 1994 г.;

- Межотраслевом научно-техническом технологическим конгрессе «ТЭК: проблемы и пути решения»;

- Международной конференции Загрязнение окружающей среды (1СЕР'95);

Всероссийской конференции «Бассейн реки: эколого-водохозяйственные проблемы рационального

водопользования», Екатеринбург, 1996;

- Втором международном конгрессе «Вода: Экология и технология», Москва, 1996 г.;

- Первой международной конференции «Экологическое моделирование и оптимизация в условиях техногенеза» ЭМО-96, Минск, 1996;

Международном симпозиуме «Чистая вода России-97», Екатеринбург, 1997;

- Третьем международном конгрессе «Вода: Экология и технология» Экватэк-98, Москва, 1998 г.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы и приложений. Объем работы 118 страниц, в том числе 25 рисунков, 7 таблиц, список литературы из 87 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. Общая характеристика поверхностных водных объектов Пермской области и техногенных источников их загрязнения

Пермская область расположена на восточной окраине Русской равнины (примерно 80% территории) и западном склоне Среднего и Северного Урала и занимает площадь 160 236, 5 кв. км. По обеспеченности водными ресурсами Пермская область занимает первое место на Урале.

Изучение состава и свойств поверхностных водных объектов началось с конца 19 века в работах Р.Н. Рума (1881), Г.В. Хлопина (1887), Г.В. Шумова (1897). Основополагающий вклад в изучение гидрохимии поверхностных водных объектов рассматриваемого региона был внесен Г.А. Максимовичем (1942, 1943, 1946, 1947, 1955). Отдельные аспекты гидрохимического режима водных объектов Пермской области, особенности его формирования рассмотрены в работах З.М. Балабановой (1959, 1966), Э.А. Бурматовой (1969, 1970, 1996), A.A. Варова (1927, 1928), Я.М. Вайсмана (1983), Т.П. Девятковой (1981, 1986, 1997), П.Ф. Платова (1951), Ю.М. Матарзина (1959, 1967, 1968, 1971), Е.А. Лушникова (1967), А.К. Лаптевой (1997), А.П. Лепихина (1990, 1996, 1998), И.А. Печеркина (1962, 1966, 1969), А.Н. Трифонова (1926, 1927), А.М. Черняева (1970,1978) и др.

Систематическое изучение химического состава поверхностных вод на территории области страны ведется территориальными органами Роскомгидромета с 1938-1939 г.г. В настоящее время количество пунктов наблюдений за гидрохимическим составом поверхностных вод резко сократилось. В целом детальные наблюдения за гидрохимическим режимом

поверхностных водных объектов области осуществляются совершенно недостаточно из-за сложности экономической ситуации и организационного несовершенства системы контроля.

Помимо Росгидромета в настоящее время специальные исследования рек ведутся органами ГСЭН (государственный санитарно-эпидемиологический надзор), гидрологическими партиями Пермского геолкома, кафедрами и лабораториями Пермского государственного университета, комитетом по водному хозяйству области, территориальными подразделениями Пермоолкомнрироды, муниципальными и ведомственными лабораториями.

Общая характеристика источников загрязнения поверхностных водных объектов, расположенных на территории Пермской области. На территории Пермской области широко представлен весь спектр источников загрязнения. В диссертационной работе приведена классификационная схема источников загрязнения. В ней источники подразделены по следующим признакам:

- генезису (естественные, антропогенные и т.д.);

- реализуемости (действующие, явные, скрытые, потенциальные);

- регламентированности (нерегламентированные, регламентированные, нормативно чистые и т.д.);

- характеру воздействия (изменение химических свойств воды, изменение физических свойств воды);

- характеру поведения сбрасываемых загрязняющих веществ (консервативные, неконсервативные и т.д.);

- продолжительности действия (залповые, постоянные, с переменным режимом);

- размеру источника (точечные, распределешше и т.д.);

- механизму поступления загрязнения в водные объекты (конвективные, диффузионные);

- конструкции водовыпуска (сосредоточенный, рассеивающий).

Введение подобной классификации необходимо для выбора адекватной модели, рассчитывающей поступление загрязняющих веществ в водные объекты.

На территории Пермской области широко представлен весь спектр источников загрязнения. Это обусловлено:

- широким использованием водных ресурсов в хозяйственной деятельности, в частности, в таких отраслях промышленности как горнорудная, цветная и тяжелая металлургия, машиностроительная, химическая, нефтедобывающая и нефтеперерабатывающая;

- значительной концентрацией производственных и жилищных комплексов, расположенных в непосредственной близости от крупных поверхностных водных объектов;

- экономическими условиями, вызвавшими повышение фактора риска техногенных аварий, связанных с попаданием загрязняющих веществ в поверхностные водные объекты.

Проводимые же изучения гидрологических и гидрохимических характеристик являются недостаточными. Система Росгидромета вследствие слабого финансирования вынуждена сокращать проводимые исследования, а наблюдения, проводимые муниципальными, ведомственными службами плохо согласуются между собой и данными Росгидромета по следующим причинам:

- отсутствие согласования при выборе мест отбора проб;

- несоответствие методик отбора проб и анализа отобранной воды.

Таким образом, наличие скрытых и потенциальных источников может быть подвергнуто лишь качественному, приблизительному анализу. Вместе с тем остается ещё один тип источников поступления загрязнения в поверхностные водные объекты, по которым имеется значительно более полная информация — декларируемые сбросы предприятий. Данные сбросы отражаются в материалах ежегодной статистической отчетности по форме «2ТП-водхоз» и их значительно легче проанализировать и обобщить.

Все это приводит к необходимости создания единой централизованной в масштабах региона системы для решения задач прогнозирования последствий регламентных и аварийных ситуаций, и нормирования техногенных воздействий. Данная система должна включать в себя как широкий спектр моделей распространения загрязняющих веществ, так и компьютерные базы данных, содержащих информацию по: гидрологическому режиму и гидрохимическому составу поверхностных водных объектов, характеристикам источников загрязнения и свойствам загрязняющих веществ.

Глава 2. Принципы построения моделей расчета распространения загрязнения в поверхностных водных объектах.

Основы современной концепции построения математических моделей формирования воды в поверхностных водных объектах были заложены работами В.М. Маккавеева (1931), W. Schmidt (1925), Н. W. Streeter, В. Phelps (1925). Учитывая чрезвычайную важность данных моделей для решети задач охраны поверхностных

Ii

водных объектов, вопросам их разработки посвящено большое количество исследований как зарубежных, так и отечественных. Из отечественных исследований в первую очередь следует отметить работы: Т.А. Айзатуляина, Б.В. Архипова, В.Ф. Бреховских, О.Ф. Васильева, В.А. Вавилина, Х.А. Вельнера, Г.Ф. Вознесенского, •• Е.В. Веницианова, JI.M. Галкина, А.Д. Гиргидова, М.Т. Гладышева, Е. В. Еременко, С.А. Иваненко, А.В. Караушева, В.И. Квон, ,, О.А. Клименко, В.М. Дятхера, А.Н. Милитеева, В.В. Морокова, И.Д. Родзиллера, B.C. Титова, И.А. Шеренкова, М.Г. Хубларяна.

Широкое внедрение современных вычислительных средств сделало возможным создание программного обеспечения для решения задач оперативного прогнозирования и регламентации техногенных воздействий в масштабах регионов. Информационно-программные комплексы включают в себя информационные базы данных и расчетные модули. В настоящее время это направление развивается в работах А.Е. Косолапова (1996), В.Н. Ткаченко (1996), А .И. Цхай (1994, 1996), А.П. Легшхина, E.JI. Садохиной (1992, 1997, 1998).

Сложность задачи построения достаточно адекватных моделей переноса за1рязняющих веществ в поверхностных водных объектах заключается в том, что рассматриваемые водные объекты, как правило, характеризуются: _ весьма сложной морфометрией;

_ широким диапазоном изменения основных гидрологических и

гидравлических характеристик; _ разнообразием источников поступления загрязняющих веществ; _ широким спектром загрязняющих веществ с различными физическими и химическими свойствами и в связи с этим, существенно разным поведением в водных объектах.

Такт! образом, для изменения содержания загрязняющего вещества в объеме в общем случае справедливо следующее балансовое соотношение:

|(/ОЛ*) = ¡(дя (2.1)

а » V и

где С - концентрация рассматриваемого загрязняющего вещества,

- суммарная интенсивность потоков загрязняющего вещества на границе выделенного объема, обусловленная гидродинамическими факторами,

£ - интенсивность внутренних источников сОроса загрязняющих веществ,

]СД0Н - интенсивность миграционных потоков в системе <вода> -<взвешенные наносы> - <донные отложения>,

- интенсивность процессов внутриводоемной трансформации, С>соРбцвзв. - интенсивность процессов межфазной миграции загрязняющих веществ в системе <вода> - <взвешенные наносы>.

Создание универсальной математической модели, описывающей все происходящие в водоеме процессы, является задачей сложной, если не невозможной на сегодняшний день, как по причине многофакторности самой модели, так и из-за недостаточной мощности вычислительных средств. Кроме того, использование сложной модели для малоизученного водного объекта представляется неоправданным, т.к. при малой точности задания исходных данных и значительных временных издержках, неизбежных при расчете с использованием универсальной модели, и сам результат расчета является весьма не точным.

Поэтому при построении системы оперативного прогнозирования целесообразнее использовать пакет моделей,

которые с хорошей степенью соответствия описывают те или иные водные объекты, характерные для Пермской области.

В работе анализируются различные подходы к построению математических моделей для естественных русловых процессов, приводятся классификационные таблицы, которые позволяют осуществить выбор модели, наиболее соответствующей конкретному поверхностному водному объекты.

Глава 3. Программный комплекс «КАМА»

Программный комплекс "КАМА" предназначен для оперативного централизованного прогнозирования и нормирования техногенного воздействия на поверхностные водные объекты. Он был разработан по заданию и при непосредственном участии Пермского областного комитета по охране природы и в настоящее время используется в различных его подразделениях.

Структура программного комплекса представлена на рис. 1. Он состоит из трех основных блоков: - блок информационных баз дашгых:

а) база данных «Створ» (содержит данные наблюдений за состоянием поверхностных водных объектов, осуществляемых постами контроля Росгидромета);

б) база данных «2ТП-водхоз» (содержит информацию, по декларированному использованию водных ресурсов предприятиями-водопользователями, составлена на основании данных, содержащихся в форме «2ТП-водхоз»);

в) база данных «ПДК» (включает в себя информацию по загрязняющим веществам, их физико-химическим, токсикологическим свойствам, а также рекомендации по их

хранению, транспортировке, мерам по ликвидации аварии, связанных с попаданием загрязняющего вещества в водные объекты);

- блок моделирования процессов распространения загрязняющих веществ в водотоках:

а) «Линия» (одномерная модель расчета распространения загрязняющего вещества);

б) «Река» (двухмерная, нестационарная модель, для адекватного задания характеристик водного объекта использовались криволтейные сетки, на рис. I приводится пример результатов расчета);

в) «Зона загрязнения» (трехмерная стационарная модель, река рассматривается как прямоугольный канал)

- блок нормирования техногенных нагрузок:

а) программа «ЦЦС» (предназначена для расчета предельно-допустимой концентрации загрязняющих веществ в сточных водах предприятий-водопользователей);

б) программа «Коллектор» (предназначена для расчета предельно-допустимой концентрации загрязняющих веществ в сточных водах предприятий-водопользователей, поступающих на коллективные очистные сооружения).

В диссертационной работе подробно рассматриваются отдельные компоненты комплекса, описывается принцип их работы и взаимодействие между отдельными частями комплекса.

Принципиальное значение имеют информационные потоки, объединяющие отдельные компоненты комплекса. Эти потоки связывают информационные базы данных с расчетами распространения загрязняющих веществ, и расчетами по нормированию техногенных воздействий. Именно они,

обеспечивающие обмен информацией, между отдельными частями программного комплекса позволяют повысить оперативность расчетов и объективность задания данных в вычислительных модулях.

Структура программного комплекса предусматривает дальнейшее развитие системы. В программный продукт могут быть добавлены как новые информационные модули, так и дополнительные расчетные модули.

Инфор'маниокиьгй блок

Б язя данных "CTBOF' .1 База данных 0 "2ТП-вода:оз" Ь Б ЯЗЯ ДЯ1ПП.К "ПДК" t 1 Сира&ичияхв к-BcnoMoraie.ni- И ные базы Н данных Ы

¿it- л

Блок моделирования и прогнозирования

"Йииш" 0 "Река" j4 'Зона загрязнения"

(одномерная 1 • (двухмерная (трехмерная

(ИНДГЛЬ) Mii;i.f.iiM мпдкль)

Блок нормирования

Лрограмма"ПДС,ч(расм1т ' предельно г допустимых сбросов зэгрязншощю: к к ми такс. 1:1 ii4hi.iv вод)

Программа "Коллектор" (расчет сбросов 1агрязшиощш: веществ в составе сточных вод для иПпншнш нчнпнки: сооружений)

^шичцчяи ¿Л» ¿¿a&iS&i »^^¿.fcet^St А-

Рис.1. Структура программного комплекса «КАМА»

Рис. 2. Распространение примеси в Камском водохранилище в районе г. Добрянка. Разовый выброс консервативной примеси массой 10 тонн. Метеоусловия штиль. Температура воды 15°С по Цельсию. Других источников примеси нет. а) через 1,2 часа после попадания примеси в водохранилище; б) 7 часов; в) 15,6 часов.

Заключение

Результатом выполненной диссертационной работы явилось создание единого комплекса программных продуктов, получившего название программный комплекс «КАМА». Данный комплекс был создан для оперативной оценки воздействия техногенных комплексов на водные объекты в масштабах крупного региона и апробирован на примере Пермской области, крупного промышленного региона, для которого характерно наличие

(Л/Ч '11. 1' 1ПГГ> 1.'* V1 М Ч-1. "! !! Ч V I Т/\/"П I ТТу им < 1\_УУ Л ТЛ^ } (I Г* [111 V

типов, а так же широкое вовлечение этих объектов в хозяйственную деятельность человека.

Структура программного комплекса построена исходя из обеспечения максимальной эффективности его функционирования. Она содержит три основных блока:

- информационный блок, включающий в себя базы данных по гидрохимическим и гидрологическим характеристикам поверхностных водных объектов, по декларированному использованию воды, информационную базу по физико-химическим и токсикологическим характеристикам загрязняющих веществ;

- блок прогнозирования распространения загрязняющих веществ в поверхностных водных объектах, который включает в себя шкет модулей. Данный пакет предназначен для решения задач моделирования распространения загрязняющих веществ в различных поверхностных водных объектах при аварийных ситуациях и для регламентного режима водопользования. При этом выбор оптимального расчетного модуля осуществляется из определенных критериев отбора;

блок нормирования техногенных нагрузок иа поверхностные водные объекты (включает в себя программные средства, предназначенные для расчета предельно допустимых сбросов загрязняющих веществ как непосредственно в поверхностные водные объекта, так и на групповые очистные сооружения). Для решения поставленной задачи в контексте создания оперативной системы прогнозирования и нормирования техногенных воздействий выполнены следующие работы:

- дан анализ действующей системы мониторинга поверхностных водных объектов Пермской области, а также техногенных источников их загрязнения;

- разработана классификация источников загрязнения;

- созданы информационные базы данных;

- разработаны расчетные модули.

1. Показано, что действующая система мониторинга в силу ряда объективных причин не может быть признана достаточной. Её основные недостатки вызваны целым рядом причин. Из-за недостаточного финансирования сокращается как количество пунктов контроля Росгидромета за состоянием поверхностных водных объектов, так и уменьшается частота проводимых измерений. Контроль же, осуществляемый ведомственными и муниципальными организациями, слабо согласован между собой.

2. Дана характеристика декларированных источников загрязнения поверхностных водных объектов и показано, что, несмотря на значительный запас водных ресурсов, загрязнение поверхностных водных объектов производится на относительно не значительной площади и сильно локализовано в районах промышленных центров. Причем водные объекты, являющиеся непосредственными приемниками сточных вод, существенно

различны по гидрологическому режиму и гидрохимическому составу.

3. Классификация источников техногенного загрязнения построена исходя из требований максимальной формализации выбора оптимальных расчетных модулей для решений конкретных задач. Построены функциональные зависимости, классифицирующие источники загрязнения с приемлемой степенью точности.

4. Выполненный анализ процессов переноса загрязняющих веществ в естественных русловых потоках показал, что адекватность конкретного расчетного модуля зависит как от правильности выбора математической модели, так и от точности задания исходных данных. Была показана нецелесообразность построения единой математической модели в масштабах региона по причине громоздкости, высоких требований к аппаратному обеспечению и к точности задания большого количества исходных параметров. В связи с этим был принят «пакетный» принцип проведения расчетов, т.е. оптимальные модели используются для конкретных условий. В рамках комплекса работают модели: одномерная модель (программа «Линия»), двухмерная модель (программа «Водохранилище») и трехмерная модель (программа «Зона загрязнения»).

Основными информациошшми базами являются: - база данных по гидрохимии поверхностных водных объектов, основанная на данных сетевых наблюдений, осуществляемых системой пунктов контроля Росгидромета; база по декларированному водопользованию, основанная на данных официальной формы статистической отчетности предприятий-водопользователей «2ТП-водхоз».

6. Блок нормирования представлен программами для расчета предельно-допустимых сбросов за1рязняющих веществ как непосредственно в поверхностные водные объекты, так и на групповые очистные сооружения.

Программный комплекс «КАМА» представляет собой совокупность связанных программных продуктов, логически дополняющих друг друга. Только при условии совместного использования информационных баз данных можно с максимально-возможной адекватностью задать характеристики водного объекта и источники поступления в него загрязняющих веществ. Это в свою очередь необходимо как при решении задач нормирования, так и задач прогнозирования распространения загрязняющих веществ в водных объектах.

Необходимо отметить, что информационные потоки в программном комплексе «Кама» не являются односторонними, т.е. они не исчерпываются потоками от информационных баз данных к программам, рассчитывающим те или иные аспекты водопользования. Так, например, логически взаимосвязаны база данных по декларированному использованию воды и программы по расчету предельно-допустимых сбросов загрязняющих веществ в водные объекты. Причем, информационные потоки в данном случае имеют ярко выраженный двусторонний характер.

Аналогично обстоят дела и с задачами прогнозирования распространения загрязняющих веществ. Производя конкретные расчеты по моделированию процессов загрязнения от источников поступления загрязняющих веществ можно, например, оптимизировать расположение пунктов контроля за состоянием поверхностных вод.

Данные задачи были решены на примере Пермской области. Однако представляется возможным перенос методологии и разработанных программных средств на другие промышлеино развитые регионы, где наиболее остро стоит задача рационального использования поверхностных водных ресурсов.

В настоящее время программный комплекс «Кама» используется в Пермском областном комитете по охране природы и ряде других организаций Пермской области и Урала, осуществляющих функций контроля за состоянием водных объектов.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Прогноз термического режима участка долитого водохранилища под влиянием теплового загрязнения // Тез. Док. 2-го международного симпозиума «Проблемы токсикологии и прикладной экологии», Пермь, 1993 (в соавторстве с Лепихиным А.П., Носковым В.М., Иваненко С.А.).

2. Elaboration and Introduction of Program Complex for Water Object Pollution Waste Water Consequences Prognosis // Environmental Pollution and Neuroimmuno Interactions and Environmental International So-Conference, 17-24 July 1995, St.-Petersburg, Russia, 39 р. (в соавторстве с Лепихиным А.П., Мирошниченко С.А., Гельфенбуймом И.В.).

3. Waste Water Flow Dynamic Normalizing System for a Large Administrative Unit (etc. Perm Region) // Environmental Pollution and Neuroimmuno Interactions and Environmental International So-Conference, 17-24 July, 1995, St.-Petersburg,

Russia, 39 p. (в соавторстве с Лепихиным А.П., Гельфенбуймом И.В.).

4. Техногенные аварии в проблеме комплексных оценок техногенных воздействий на поверхностные водные объекты // Международный симпозиум SPM-95, Москва-Пермь, 15-21 сентября 1995г., с. 34-35 (в соавторстве с Лепихиным А.П., Гельфенбуймом И.В.)

5. Система оперативного прогнозирования и нормирования техногенных нагрузок на водные объекты в рамках крупных административно-территориальных комплексов // Печат. Всероссийская конференция «Бассейн реки: зколого-водохозяйствешше проблемы рационального водопользования», Екатеринбург, 1996 (в соавторстве с Мирошниченко С.А., Гельфенбуймом И.В.).

6. Опыт создания и эксплуатации централизованной системы оперативного прогнозирования и нормирования техногенных воздействий на поверхностные водные объекты в масштабах Пермской области // Тезисы второго международного конгресса «Вода: экология и технология», Москва, 1996г., с. 416 (в соавторстве с Лепихиным А.П., Мирошниченко С.А., Гельфенбуймом И.В.)

7. Прогнозирование последствий аварий на реках и водохранилищах // Международная конференция «Микробное разнообразие: состояние, стратегия, сохранения, экологические проблемы», COMED'96, Пермь, с. 95-96,1996. (в соавторстве с Лепихиным А.П.).

8. Аварийные ситуации: анализ и прогноз последствий их воздействия на водные объекты. Перспективы развития

естественных наук на западном Урале и труды международной научной конференции, т. II. Экология, Издательство Пермского госуниверситета (в соавторстве с Лепихиным А.П., Мирошниченко С.А).

9. Опыт создания и эксплуатации гидродинамических моделей 1фупных водохранилищ (на примере Камского и Боткинского водохранилищ). Глобальные природно-антропогенные процессы и экология среды обитания. Сборник трудов. Вып. 4., М., 1996г., с. 53-65. (в соавторстве с Лепихиным А.П., Иваненко С.А.)

10. Основные проблемы охраны и рационального использования поверхностных водных ресурсов Пермской области // Материалы международного симпозиума «Чистая вода России», Екатеринбург, 1997г. (в соавторстве с Лепихиным А.П., Гельфенбуймом И.В.).

11. Роль естественных и антропогенных факторов в формировании гидрохимического режима (в пределах Пермской области) // Материалы международной научно-практической конференции, Пермь, 1997г. с. 87-89 (в соавторстве с Лепихиным АЛ., Мирошниченко С.А, Наумовой Е.Г.).

12. К проблеме построения абиотических критериев безопасности содержания поллютантов в поверхностных водных объектах // Тезисы докладов. Третий международный конгресс «Вода: экология и технология» Экватэк - 98, Москва, с. 529-530 (в соавторстве с Лепихиным А.П., Мирошниченко С.А.).

13. Оперативное прогнозирование и нормирование техногенных воздействий в масштабах Пермской области

// Тезисы докладов. Третий международный конгресс «Вода: экология и технология» Экватэк - 98, Москва, с. 32-33 (в соавторстве с Гельфенбуймом И.В., Лепихиным А.П., Мирошниченко С.А.).

Сдано в печать 26.08.98 г. Формат 60x84/16. Объем I уч.-изд.л. Тираж 100. Заказ 1080. Ротапринт ПНУ.

Текст научной работыДиссертация по географии, кандидата технических наук, Садохина, Елена Леонидовна, Пермь

2 ' 'V О - :

Уральского отделения Российской академии наук Институт экологии и генетики микроорганизмов

На правах рукописи

Садохина Елена Леонидовна

ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС ПО ПРОГНОЗИРОВАНИЮ И НОРМИРОВАНИЮ ТЕХНОГЕННЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА

ВОДНЫЕ ОБЪЕКТЫ

11.00.11 - охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор географических наук, академик РАЕН Лепихин А.П.

Пермь - 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.............................................................................................4

Актуальность проблемы......................................................................4

Цели и задачи диссертационной работы...........................................7

Научная новизна..................................................................................8

Практическая ценность.......................................................................8

Глава 1. Общая характеристика поверхностных водных объектов Пермской области и техногенных источников их

загрязнения...........................................................................................10

Общая характеристика поверхностных водных объектов

Пермской области..............................................................................10

Общая характеристика источников загрязнения поверхностных водных объектов, расположенных на территории Пермской

области................................................................................................21

Глава 2. Принципы построения моделей расчета распространения загрязнения в поверхностных водных

объектах.................................................................................................27

Глава 3. Программный комплекс «КАМА»...................................49

3.1. Общая структура комплекса......................................................49

3.2. Информационно-аналитические базы данных и программные оболочки для их ведения и анализа содержащейся в них информации........................................................................................57

3.2.1. База данных по гидрохимии Пермской области. Программа «Створ».......................................................................57

3.2.2. База данных по регламентированному использованию водных объектов, расположенных на территории Пермской области. Программа «2ТП водхоз»..............................................67

3.2.3. База данных по загрязняющим веществам........................76

3.3. Блок моделирования и прогнозирования процессов распространения загрязняющих веществ в поверхностных водных объектах..............................................................................................80

3.2.1. Одномерная модель распространения загрязняющего вещества..........................................................................................81

3.2.2. Двухмерная нестационарная модель распространения загрязняющего вещества в водохранилищах..............................82

3.2.3. Трехмерная стационарная модель распространения загрязняющего вещества в реке. Программа

«Зона загрязнения»........................................................................98

3.4. Блок нормирования техногенных воздействий на поверхностные водные объекты.....................................................103

Программа по нормированию предельно допустимых сбросов в

поверхностные водные объекты «ПДС»...................................103

Программа по нормированию предельно допустимых сбросов

на групповые очистные сооружения «Коллектор»..................103

Заключение..........................................................................................105

Список литературы...........................................................................110

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. Современный технократический тип цивилизации основан на активном, все более полном вовлечении в производственную деятельность природных ресурсов. На протяжении длительного интервала времени сиюминутные производственно-экономические интересы приводили к тому, что капиталовложения направлялись в первую очередь на увеличение масштабов производства, при этом совершенно не адекватно осуществлялась коррекция техногенного воздействия на окружающую среду. Данные обстоятельства привели к существенному ухудшению состояния различных экологических объектов, в том числе водных.

Пермская область является регионом с высоко развитой промышленностью. Особое развитие на территории Пермской области получили предприятия черной и цветной металлургии, целлюлозно-бумажной, химической, нефтеперерабатывающей, нефтедобывающей и горнодобывающей промышленности. Не соответствие капиталовложений, направляемых на развитие производственных мощностей, финансовым вложениям, предназначенным для ликвидации негативных воздействий данных предприятий на водные объекты, вызвало значительное загрязнение поверхностных водных объектов на территории Пермской области.

Следует также отметить, что многие водные объекты, расположенные на территории Пермской области, имеют не только локальное, региональное значение, но и способны оказать существенное влияние на состояние водных ресурсов на значительной части территории Российской Федерации. Это связано

с тем, что р. Кама является самым крупным притоком важнейшей водной артерии России р. Волга.

Помимо перманентного загрязнения, вызванного функционированием промышленных предприятий, нельзя не учитывать возможность аварийного попадания загрязняющих веществ в воду. По мере продолжения использования физически и морально устаревшего оборудования на промышленных предприятиях вероятность техногенных аварий, приводящих к попаданию загрязняющих веществ в водные объекты, значительно возрастает.

Еще одним существенным фактором риска является повторное загрязнение водных объектов. За длительный период сброса загрязняющих веществ, образовавшихся в процессе различных технологических процессов, в донных отложениях поверхностных водных объектах накопилось значительное их количество. Существенное изменение гидрологического режима связанное с сезонными природными явлениями или возможными катаклизмами, связанными с непродуманными действиями со стороны людей, могут привести к существенному увеличению содержания загрязняющих веществ за счет их вымывания из донных отложений. Такое положение вещей во многом усугубляется недостаточной практической изученностью донных отложений, а так же недооценкой потенциальной опасности данных процессов для экологического состояния водных объектов и всего региона в целом.

Таким образом, задачи контроля за состоянием поверхностных водных объектов Пермской области и регламентации воздействий на его основе представляются весьма важными. Однако сложные экономические проблемы, с которыми

сталкиваются государственные органы, призванные осуществлять мониторинг поверхностных водных объектов, приводят к тому, что сфера их деятельности не только не расширяется, а напротив — сужается. В данных обстоятельствах остро встает проблема осуществления целенаправленной концентрации всей совокупности информации, которая была накоплена за длительной период функционирования государственных органов и научных подразделений, осуществляющих контроль за состоянием поверхностных водных объектов.

Следует подчеркнуть, что традиционный подход к проблеме оценки техногенного воздействия осуществляется в рамках локальной схемы «отдельный водовыпуск» —» «водный объект». Однако при достаточно высокой плотности техногенных нагрузок, характерных для промышленно развитых регионов, данная схема является совершенно неприемлемой, так как техногенное воздействие, оказываемое на водный объект совокупностью источников загрязнения, расположенных в непосредственной близости друг от друга, нельзя рассматривать как арифметическую сумму концентраций загрязняющих веществ, поступающих в водный объект от каждого источника.

Необходим достаточно полный и объективный учет всех источников загрязнения, как декларированных, так и потенциальных, расположенных в бассейне рассматриваемого водного объекта.

В настоящее время реализация такого подхода возможна только путем создания централизованной системы оперативного прогнозирования и нормирования техногенных нагрузок на водные объекты в масштабах региона и может быть осуществлена при

условии достаточно полного использования возможностей современных вычислительных средств.

Только при таком подходе представляется возможном максимально объективно оценить состояние водного объекта, что в свою очередь необходимо для решения целого ряда задач, в том числе задач:

- регламентирования техногенных воздействий на поверхностные водные объекты;

- прогнозирование состояния поверхностных водных объектов, как при декларированных воздействиях, так и при различных сценариях техногенных аварий.

Цели и задачи диссертационной работы. Целью данной диссертационной работы является создание единого комплекса программных продуктов для создания и функционирования централизованной системы оперативной оценки воздействия техногенных комплексов на водные объекты в масштабах крупного региона. Для обеспечения эффективной работы данного комплекса необходимо было решить следующие задачи:

- централизованное хранение и накопление информации:

- о состоянии водных объектов;

- об объектах водоотведения и составе отводимых стоков;

- прогнозирование содержания загрязняющих веществ в поверхностных водных объектах при различных гидрологических и гидрохимических режимах, составе и режимах сброса в него отводимых стоков;

- регламентация техногенных воздействий на водные объекты с учетом интереса всех водопользователей, расположенных в бассейне данного водного объекта.

Данные задачи были решены на примере Пермской области.

Научная новизна. Научная новизна работы состоит в выработке методологии, а так же её последующей реализации при создании комплекса программных продуктов, включающих как информационные базы данных, так и различные модули, обеспечивающие решение поставленных задач в масштабах крупного промышленного региона.

Практическая ценность. Созданные на основе разработанной методологии программные средства позволяют более оперативно и объективно решать задачи как оценки состояния водного объекта, так и прогнозирование последствий техногенных воздействий, а так же осуществлять регламентацию этих воздействий на водные объекты. Данный программный комплекс успешно используется для указанных выше задач в масштабах Пермской области в Пермском областном комитете по охране природы. Отдельные элементы комплекса внедрены в ряде организаций, связанных с проблемой оценки и регламентации техногенных воздействий на водные объекты, в том числе в Пермском городском комитете по охране природы, СТУЭК (Северное территориальное управление экологического контроля, г. Березники), Сарапульском водоканале. Так же ряд программных модулей системы используется при практическом обучении студентов соответствующих специальностей в Пермском государственном университете и в Пермском государственном техническом университете. Результаты, выносимые на защиту. Разработанная методология создания и программная реализация централизованной системы оперативного прогнозирования и нормирования техногенных нагрузок на водные объекты в масштабах крупных промышленных регионов, включающая в себя:

- ведение баз данных по широкому спектру показателей, связанных с экологическим мониторингом поверхностных водных объектов;

- прогнозирование последствий декларированного воздействия, а так же техногенных аварий, связанных с попаданием в поверхностные водные объекты загрязняющих веществ;

- нормирование вредных воздействий на водные объекты как техногенного, так и бытового характера.

Апробация работы.

Основные положения и результаты работы докладывались на: Международном конгрессе «Вода: Экология и технология», Москва, 1994 г.;

Межотраслевом научно-техническом технологическим конгрессе «ТЭК: проблемы и пути решения»; Международной конференции Загрязнение окружающей среды (1СЕР'95);

Всероссийской конференции «Бассейн реки: эколого-водохозяйственные проблемы рационального

водопользования», Екатеринбург, 1996;

Втором международном конгрессе «Вода: Экология и технология», Москва, 1996 г.;

Первой международной конференции «Экологическое моделирование и оптимизация в условиях техногенеза» ЭМО-96, Минск, 1996;

Международном симпозиуме «Чистая вода России-97», Екатеринбург, 1997.

Глава 1. Общая характеристика поверхностных водных объектов Пермской области и техногенных источников их

загрязнения

Общая характеристика поверхностных водных объектов Пермской области. Пермская область является одним из крупнейших регионов страны и занимает площадь 160 236, 5 кв. км на восточной окраине Русской равнины (примерно 80% территории) и западном склоне Среднего и Северного Урала [88]. Максимальная протяженность области с севера на юг - 645 км, с запада на восток 417,5 км. По данным на 1995 год численность населения Пермской области составляла 3024,1 тыс. чел [27]. Территория области практически полностью расположена в бассейне р. Кама — крупнейшего притока Волги.

По обеспеченности водными ресурсами Пермская область занимает первое место на Урале. Суммарный среднемноголетний годовой сток рек с её территории составляет 53,3 куб. км [27].

Поверхностные водные объекты Пермской области составляют:

- более 30 тыс. рек общей протяженностью 90 тысяч километров. Густота речной сети 0,2 км/кв. км. Все они относятся к бассейну р. Камы, крупнейшего притока Волги. По длине (1805 км) Кама — шестая река Европы, по водности — третья река Европы и Европейской части России. Кама «входит» в пределы области в северо-западном «углу» территории на 482 км от истока, а «выходит» на юго-западе вблизи впадения р. Сивы на 329 км от устья. Большинство рек области — малые. Рек длиннее 10 км насчитывается 1,4 тысячи [27]. 42 реки имеют длину более 100 км, но только р. Чусовая (529 км) относится к большим рекам

длиной более 500 км [27]. Кроме неё к протяженным рекам относятся Сылва (493 км), Колва (460), Вишера (415), Яйва (403) [27];

- около 800 озер, общей площадью свыше 120 кв. км. Самые крупные озера расположены на севере области — Чусовское (19,4 кв. км), Большой Кумикуш (17,8 кв. км), Новожилово (7,12 кв. км); наиболее глубокие — карстовые озера в Добрянском районе: Рогалек (61м — самое глубокое озеро на Урале), Белое (46 м), Большое (30 м) [27]. Кроме того в Прикамье расположено около 100 подземных озер, расположенных в карстовых пещерах;

- почти 1000 болот, которые вместе с заболоченными лесами занимают более 25 тыс. км (15% территории области) [27];

- три водохранилища (Широковское, Камское и Боткинское) общей площадью свыше 3 тыс. кв. км, созданных в связи со строительством ГЭС. Широковское расположено на р. Косьве, Камское и Боткинское — верхние звенья Волжско-Камского каскада (Табл. 1);

- около 500 прудов общей площадью 90 кв. км [27].

Около трети речного и озерного фонда области пригодны к рыбопромысловой деятельности. В настоящее время промышленный лов ведется преимущественно на Камском и Боткинском водохранилищах.

Табл. 1. ХАРАКТЕРИСТИКИ КАМСКОГО И ВОТКИНСКОГО

ВОДОХРАНИЛИЩ

Показатель Камское Боткинское

Нормальный подпорный уровень, м БС над уровнем моря 108,5 89,0

Полный объем при Hill, куб. км 12,2 9,4

Площадь поверхности, кв. км 1910 1120

Глубина у плотины, м 29 28

Длина, км 280 308

Изучение состава и свойств поверхностных водных объектов началось с конца 19 века. Первая оценка химического состава поверхностных водных объектов расположенных на территории современной Пермской области, с позиции использования их для водоснабжения была выполнена одним из основоположников отечественной науки об охране поверхностных вод и санитарно-гигиенических нормах водопользования Г. В. Хлопиным [89]. В последующем химический состав водных объектов изучался широким кругом исследователей. По гидрохимии рек Пермской области отдельные работы появляются в 20-х годах [84], но систематическое изучение речных вод начинается с 1932-1935 гг. [30, 52, 80]. Химизм речных вод широко освящается в ряде опубликованных работ [14, 29, 32, 33, 41, 40, 77, 54]. Крупные региональные обобщения по гидрохимии рек сделаны Г.А. Максимовичем [59, 60, 61, 62, 63] и O.A. Алекиным [12, 11].

Систематическое изучение химического состава поверхностных вод на территории области страны ведется территориальными органами Роскомгидромета с 1938-1939 г.г. В настоящее время количество пунктов наблюдений за гидрохимическим составом поверхностных вод резко сократилось. В целом детальные наблюдения за гидрохимическим режимом поверхностных водных объектов области осуществляются совершенно недостаточно из-за сложности экономической ситуации и организационного несовершенства системы контроля. Потребности в таком наблюдении должны определяться как

возможным их использованием для различных целей народного хозяйства так и допустимым уровнем техногенного воздействия на конкретный участок водного объекта. Из 29400 рек, протекающих по территории области, контроль ведется только на 17. При этом на реках действуют 28 пунктов контроля, на Камском водохранилище -9, Боткинском - 8, Широковском - 1 (Р�