Защита малых перемерзающих рек с паводковым режимом стока от загрязнения сточными водами

Шильникова, Татьяна Леонидовна

Автореферат диссертации по теме "Защита малых перемерзающих рек с паводковым режимом стока от загрязнения сточными водами"

На правах рукописи

Шильникова Татьяна Леонидовна

ЗАЩИТА МАЛЫХ ПЕРЕМЕРЗАЮЩИХ РЕК С ПАВОДКОВЫМ РЕЖИМОМ СТОКА ОТ ЗАГРЯЗНЕНИЯ СТОЧНЫМИ ВОДАМИ

Специальность 25.00.36 - Геоэкология

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Чита 2004

Работа выполнена на кафедре Водного хозяйства и инженерной экологии Читинского государственного университета Федерального агентства по образованию Министерства образования и науки Российской Федерации

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент,

Андрей Валерьевич Шаликовский

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор,

Виктор Петрович Мязин

(зав. кафедрой обогащения полезных

ископаемых и вторичного сырья ЧитГУ)

кандидат географических наук, доцент, Виктор Афанасьевич Обязов (руководитель Забайкальского межрегионального территориального управления по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды)

Ведущая организация: Федеральное государственное унитарное предприятие Российский научно-исследовательский институт комплексного использования и охраны водных ресурсов (ФГУП РосНИИВХ), г. Екатеринбург

Защита состоится 8 декабря 2004 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета К 212.299.02 при Читинском государственном университете по адресу: г. Чита, ул. Амурская, 15, ауд. ВХ-410.

Отзыв на автореферат, заверенный печатью, просим высылать по адресу: 672039, г. Чита, ул. Александрово-Заводская, 30, ЧитГУ, ученому секретарю диссертационного совета К 212.299.02. Факс:(3022)26-14-59

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Читинского государственного университета

Автореферат разослан « » ноября 2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат технических наук, доцент

Н.М. Шарапов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Охрана малых рек от загрязнения сточными водами является сложной комплексной проблемой. Ее решение осложняется региональными особенностями водоприемников, определяемых зональными и азональными факторами. Под влиянием этих факторов не всегда обеспечиваются условия разбавления сточных вод в малых реках, а особенно — в перемерзающих водотоках с паводковым гидрологическим режимом, характерным для рек Восточного Забайкалья, а также ряда других регионов Российской Федерации. В этих условиях соблюдение всех экологических требований приводит к значительному увеличению затрат на осуществление водоохранных мероприятий, поэтому перспективным способом решения проблемы является регулирование сброса сточных вод после очистных сооружений.

Существующие методы планирования водоохранных мероприятий не предусматривают возможность выбора оптимального состава и параметров сооружений очистки сточных вод с емкостью для регулирования их сброса в водоприемник. В то же время от параметров очистных сооружений зависит состав вод, поступающих в накопитель, а, следовательно, его емкость и величина затрат на осуществление всего комплекса водоохранных мероприятий. Кроме того, существующие методики расчета регулирования сброса сточных вод могут применяться только для рек с весенним половодьем и не учитывают неравномерность распределения стока в другие периоды года.

Таким образом, исследования, направленные на разработку методов защиты малых перемерзающих рек с паводковым режимом стока от загрязнения сточными водами являются актуальными. Применение их результатов позволит обеспечить соблюдение экологических и санитарно-гигиенических требований со значительным снижением затрат на водоохранные мероприятия.

Основная идея работы заключается в использовании перед сбросом сточных вод в водоприемник накопителя-регулятора, позволяющего обеспечить нормативы качества воды в водоприемнике при более низкой эффективности очистки стоков и, следовательно, с меньшими затратами на строительство очистных сооружений.

Целью диссертационной работы являлась разработка методики определения оптимальных параметров водоохранного комплекса для защиты малых рек от загрязнения сточными водами в условиях высокой неравномерности распределения годового стока.

Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи исследований:

- определить состав водоохранного комплекса, в наибольшей степени применимого для защиты малых перемерзающих рек с паводковым режимом стока от загрязнения сточными водами;

- создать математическую модель выбора экономически оптимальных параметров сооружений водоохранного комплекса;

- разработать алгоритм, реализующий математическую модель и программное обеспечение;

- оценить экономическую эффективность предложенной методики планирования комплекса водоохранных мероприятий на примере малой реки Восточного Забайкалья.

Объектами исследований являются малые реки Забайкалья, характеризующиеся перемерзанием и высокой неравномерностью внутригодового распределения стока.

Предмет исследования: водоохранный комплекс «очистные сооружения - накопитель-регулятор» с режимом работы, согласованным с гидрологическим режимом водоприемника.

Методы исследований. В основу работы положены аналитические методы исследований и методы эколого-математического моделирования. Исходными данными для апробации модели являлись длительные ряды наблюдений за водными характеристиками малых рек, результаты гидрохимических анализов, выполненных по стандартным методикам, собственные научные наблюдений автора и сопоставления их с данными других исследователей. Для обработки данных использовались программы инженерных расчетов.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- установлено, что для защиты перемерзающих рек с паводковым режимом стока от загрязнения наиболее применим вариант регулирования сброса сточных вод после очистных сооружений;

предложена методика определения оптимальных параметров сооружений водоохранного комплекса: степени очистки сточных вод от различных ингредиентов и объема накопителя-регулятора;

разработан алгоритм реализации математической модели, заключающийся в моделировании многолетних рядов стока водоприеменика и соответствующих циклов работы накопителя-регулятора при различных параметрах очистных сооружений.

Научные положения, выносимые на защиту

1. В составе водоохранного комплекса для защиты от загрязнения малых рек целесообразно после очистных сооружений использовать накопитель-регулятор, обеспечивающий согласование сброса сточных вод гидрологическому режиму водоприемника.

2. Существует множество комбинаций «эффективность очистки - емкость накопителя», обеспечивающих нормативные показатели качества воды в водоприемнике. Поэтому следует осуществлять поиск оптимальных параметров сооружений водоохранного комплекса по предложенной автором методике.

3. Использование разработанной эколого-математической модели позволяет значительно снизить затраты на мероприятия по защите малых рек от загрязнения сточными водами.

Практическая значимость результатов исследований заключается в обосновании состава водоохранного комплекса, обеспечивающего снижение затрат на защиту малых рек от загрязнения сточными водами, и в разработке методики определения его параметров.

Применение предложенной методики обеспечит снижение затрат на мероприятия по защите малых рек от загрязнения сточными водами, что продемонстрировано на примере малой реки бассейна р. Амур.

Основные положения исследований были учтены при разработке «Территориальной государственной программы использования, восстановления и охраны водных объектов Читинской области», а также при разработке водоохранных мероприятий военного санатория Молоковка с целью снижения сбросов загрязняющих веществ в реку Молоковка.

Результаты работы используются в учебных курсах Читинского государственного университета для студентов специальностей «Комплексное использование и охрана водных ресурсов» и «Инженерная защита окружающей среды».

Достоверность научных положений обеспечена:

- учетом в разработанной математической модели всех составляющих водного и гидрохимического балансов системы «очистные сооружения -накопитель-регулятор - водоприемник»;

- использованием для апробации методики надежных исходных данных, полученных при проведении специальных изысканий и по материалам государственного водного кадастра;

- соответствием основных материалов математического моделирования идее, положенной в основу исследований;

- апробацией предложенной методики на различных конференциях.

Личный вклад автора состоит:

- в постановке целей и задач исследований;

- в разработке комплекса водоохранных мероприятий для охраны малых рек в условиях резко континентального климата;

- в разработке эколого-математической модели, алгоритма ее реализации, части программного комплекса, выполнении численных экспериментов;

- в определении экономически оптимальной схемы параметров очистки сточных вод и их сброса в водоприемник.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международных конференциях: «Забайкалье на пути к устойчивому развитию: экология, ресурсы, управление» (Чита, 1997, 2001), «Наука и образование на рубеже тысячелетий» (Чита, 1999), «Проблемы прогнозирования в современном мире» (Чита, 1999), AQVATERRA (Санкт-Петербург, 2000), «Чистая вода России-2001» (Екатеринбург, 2001); на Всероссийской конференции «Бассейн реки: эколого-водохозяйственные проблемы рационального природопользования» (Екатеринбург, 1996); на региональных конференциях: «Проблемы освоения и рационального

использования природных ресурсов Забайкалья» (Чита, 2000); «Природные ресурсы Забайкалья и проблемы природопользования» (Чита 2001); межвузовской конференции «Роль фундаментальных дисциплин в формировании молодого специалиста» (Чита, 1998). По материалам исследований опубликовано 17 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем работы ПО страниц, в том числе 14 рисунков, 18 таблиц. Список литературы содержит 113 наименований.

Автор выражает признательность научному руководителю к.т.н., доц. А.В. Шаликовскому за помощь на всех этапах работы, д.б.н. Л.И. Локоть за ценные консультации и помощь.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность темы, изложены цели и задачи исследования, определены положения, выносимые на защиту, практическая значимость работы.

1. ОСОБЕННОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МАЛЫХ РЕК ДЛЯ ПРИЕМА СТОЧНЫХ ВОД

Общие вопросы влияния гидрологических факторов на формирование качества воды и экологию водотоков и водоемов рассмотрены в работах Авакяна А.Б., Львовича М.И., Черкинского С.Н. и других исследователей. В них указывается, что главной особенностью режима малых рек является их тесная связь с физико-географическими условиями бассейна. Природный состав речных вод формируется под воздействием зональных (климатических) и азональных факторов, причем последние являются основными при формировании качественного состава вод малых рек.

На количественные и качественные характеристики стока малых рек также оказывают влияние множество факторов хозяйственной деятельности. Так, влияние преобразующих факторов формирования стока на изменение гидрологического режима малых рек рассматривается в работах Шикломанова И.А., Разумовского Э.С., Маслова Б.С., Водогрецкого В.Е., Крестовского О.И. и других авторов.

В диссертационной работе объектами исследований являются малые реки Восточного Забайкалья. Особенностью их гидрологического режима является крайняя неравномерность распределением стока в течение года. От 80 до 95% объема годового стока проходит в теплую часть года, в этот период краткосрочные паводки чередуются с длительной меженью вплоть до полного пересыхания малых рек летом. В зимний период сток незначителен или прекращается вследствие явления промерзания.

Для защиты малых рек от загрязнения сточными водами могут использоваться методы механической, биологической, химической, физико-химической очистки. Перемерзание малых рек Читинской области в холодные периоды года и длительная летняя межень существенно затрудняют их использование. Проблема заключается в необходимости высокой степени очистки сточных вод из-за отсутствия условий разбавления стоков, что приводит к неоправданно большим затратам на водоохранные мероприятия.

В то же время, «Правилами охраны поверхностных вод» определяется возможность устройства в составе водоохранного комплекса емкостей-регуляторов, а также других сооружений для регулирования объема сброса воды в зависимости от состояния водного объекта.

Для регулирования сброса очищенных и неочищенных сточных вод могут применяться известные схемы:

- накопление неочищенных сточных вод и их сброс в водоприемник, как правило, в половодье когда имеются условия для их разбавления;

- регулирование подачи сточных вод на очистные сооружения, при этом размеры накопителя принимаются с учетом объема сточных вод за длительный период;

- накопление очищенных сточных вод в холодные периоды года для последующей их подачи на поля орошения в вегетационный период;

- аккумулирование очищенных сточных вод для последующего их отвода в водоприемник.

Использование последней схемы позволяет осуществлять сброс очищенных сточных вод с учетом неравномерности речного стока. В течение периодов зимней и летней межени происходит накопление сточных вод в накопителях. При прохождении паводков они сбрасываются в реку с учетом нарастания или спадов расхода воды в реке. По нашему мнению, применение данной схемы является наиболее перспективным защиты перемерзающих рек с паводковым режимом стока от загрязнения сточными водами.

2. МЕТОДИКА ОПТИМАЛЬНОГО ПЛАНИРОВАНИЯ ВОДООХРАННЫХ МЕРОПРИЯТИЙ

Использование накопителей-регуляторов для регулирования сброса сточных вод после очистных сооружений позволяет избежать необходимости обеспечения крайне высокой степени очистки и приводит к снижению затрат на комплекс водоохранных мероприятий. В то же время существует множество комбинаций «эффективность очистки - емкость накопителя», обеспечивающих нормативные показатели качества воды в водоприемнике. Поэтому следует осуществлять поиск оптимальных параметров сооружений водоохранного комплекса.

Эколого-математическая модель, предназначенная для определения параметров очистки и параметров сброса сточных вод с учетом гидрологических особенностей водоприемника, основывается на анализе

водного и гидрохимического баланса накопителя-регулятора и водоприемника, а также сопоставления затрат на реализацию мероприятий.

Задачу оптимизации водоохранных мероприятий (рисунок 1) можно сформулировать следующим образом: требуется выбрать такие параметры сооружений водоохранного комплекса, при котором суммарные приведенные затраты будут являться минимальными:

почиет. . (1)

почиет.

где J - приведенные затраты на очистку сточных вод.

Концентрация ингредиента Стоимость накопителя -•— Стоимость очистки Суммарные затраты

Рисунок 1 - Графическая интерпретация выбора оптимальных параметров водоохранного комплекса

В рассматриваемом случае водоохранный комплекс состоит из очистных сооружений и накопителя-регулятора недостаточно очищенных сточных вод. Поэтому

дочист. _ jo.c. ^дн.-р. (2)

о o.e. пн.-р.

где - приведенные затраты на очистные сооружения; - приведенные

затраты на накопитель-регулятор.

В связи с тем, что для очистки сточных вод от разных ингредиентов требуются различные затраты, а построение обобщающей функциональной зависимости затруднено, то целесообразно рассматривать процесс поэлементно. В этом случае оптимальным будет являться вариант из множества вариантов:

где

3--

(1-а) (2-а)

- приведенные затраты на очистку стоков от ингредиента;

- приведенные затраты на накопитель-регулятор, емкость которого определена по ингредиенту.

Для варианта, затраты на реализацию которого являются максимальными из числа, удовлетворяющих условию (1-а), содержание остальных ингредиентов в сбросных водах будет выполняться автоматически. Следовательно

=тах{з~|

(3)

Приведенные затраты на очистные сооружения зависят от их производительности и обеспечиваемой ими степени очистки. В связи с тем, что эффективность очистки от различных ингредиентов отличается, то функции приведенных затрат на очистные сооружения целесообразно определять по каждому из ингредиентов

д0.с. _ уо.с.^оч.ст.^

(4)

г*оч.ст.

где - концентрации в очищенных сточных водах ингредиента.

Приведенные затраты на накопитель-регулятор очищенных сточных вод зависят от его полного объема

он.-р. _ 0H.-p.lfyH.-p.) и V полн. р

(5)

где - полный объем накопителя-регулятора.

В качестве полного объема накопителя-регулятора очищенных сточных вод примем максимальный объем из множества всех расчетных его объемов на моменты времени

(6)

где - коэффициент запаса, учитывающий необходимость резервирования части емкости накопителя на ветровой нагон, накат волн, возникновение

аварийных ситуаций и т.д.; IVу' объем накопителя-регулятора в

ыи

J ....

момент времени.

Расчетный объем стоков в накопителе-регуляторе очищенных сточных вод в момент времени может быть найден при известных:

- объеме сточных вод в накопителе-регуляторе в предыдущий момент

времени

- изменении объема стоков в накопителе-регуляторе за

рассматриваемый интервал времени

При определении объема накопителя-регулятора очищенных сточных вод также следует учитывать, что в нем всегда должен находиться нормативный

запас чтобы накопитель-регулятор одновременно выполнял функцию

биопруда. С учетом изложенного имеем:

(7)

Изменение объема стоков в

накопителе-регуляторе

(рисунок 2) можно определить, составив уравнение водного баланса. Его приходную часть составляет:

ЦТ оч. ст..

- поступление очищенных сточных вод

- выпадение атмосферных осадков на зеркало накопителя-регулятора

осад.

07-и.

- поступление сточных вод от атмосферных осадков с водосборной

Т1/атм.ст.

площади

Расходная часть водного баланса накопителя-регулятора складывается из:

- сброса сточных вод из накопителя-регулятора в водоприемник

т.

сб.

УЧУ

- испарения со свободной поверхности накопителя-регулятора Тогда

д ш"-Р- - цгоч ст. цгосад, туатм ст. тсо. ц,исп

сб.

(8)

Рисунок 2 - Расчетная схема

Поступление очищенных сточных вод в накопитель-регулятор

составляет

ууоч.ст. _ QOЧ■Cm. гр ■~(1 —еоч:ст'-Х-

(9)

- соответственно объем очищенных и неочищенных стоков; интервал времени; - коэффициент потерь сточных вод при их

очистке.

Поступление в накопитель-регулятор атмосферных осадков может быть найдено по зависимости

ту осад. _ р г П.-р.

(10)

где - слой осадков за интервал времени - средняя

площадь зеркала накопителя-регулятора за интервал времени

Поступление сточных вод от атмосферных осадков с водосборной площади:

я,

гатм.ст. _ т> Iгрн.-р. пн.-р. |

МУ - ^/-17 ■ Ч-и Т ^'-у/•

(И)

где у - коэффициент стока; .Р*"' - площадь водосбора накопителя-

регулятора.

В формуле (11) в качестве для летне-осеннего периода

принимается слой жидких осадков, а для периода снеготаяния - слой поступления воды на поверхность водосбора от таяния снега.

Испарение со свободной поверхности накопителя-регулятора ^у^у

находится аналогично выпадению осадков:

ш-иси. _р гН-р-

"7-и -^/-17 ЛУ-1.У»

(12)

где у - слой испарения воды за интервал времени 7у_] у

Объем сброса доочищенных сточных вод из накопителя-регулятора в

водоприемник должен назначаться в таких пределах, чтобы

удовлетворялось условие нормативного разбавления сточных вод в контрольном створе, то есть выполнялась система ограничений

(13)

где - номер группы ингредиентов с одинаковыми лимитирующими

признаками вредности; коэффициент связи, определяющий

принадлежность ингредиента к группе ( =1, если ингредиент относится к ^-ОЙ группе; 8¿=0, если 1-ЫЙ ингредиент не относится к ^-ОЙ группе); - концентрация ингредиента в контрольном створе;

-нормативная концентрация ингредиента. Концентрацию г-го ингредиента в контрольном створе найдем из предположения о полном перемешивании сбросных вод с речным потоком:

где и - концентрация ингредиента в интервал времени

] соответственно в речных и сбросных водах; у и у - расход

соответственно речных и сбросных вод.

Для определения концентрации )-го ингредиента в сбросных водах рассмотрим гидрохимический баланс накопителя-регулятора. Изменение массы /-го ингредиента в накопителе происходит за счет:

ОЧ.СГП.

- поступления загрязнений с очищенными сточными водами ,

с атмосферными осадками и со сточными водами от атмосферных

джм

осадков

'у-и '

- снижения массы рассматриваемого ингредиента в результате сброса в водоприемник и биохимического окисления

'му

Тогда уравнение гидрохимического баланса примет вид:

Дп.-р. = точ.ст.+тссад. + татм.ст.

ч-и

_ тсб. _ биохим.

'му ' "VI,у ' '"'У-1.У 'У-1,У 'у-и •

Масса г'-ГО ингредиента в очищенных сточных водах, атмосферных осадках, сточных водах от атмосферных осадков и сбросных водах находятся соответственно по формулам:

оч.ст. тт/оч.ст. ^оч.ст. /-\оч.ст. г>оч.ст. Т т• = УУ ¡1 ! -С. = V,• -С. ■ 1 .•

'МУ 1у-1,у гя.У

(16)

„.осад.

т.

осао. _ п/осад. глосад. _ п пн.-р. /пост

У-1,у "^М/ 'Ччу ^ Н-У

н.-р.

-¡осад. 1.У

(17)

-татм.ст. 1,У

атм.ст. _ т атм.ст. _ ратм

0-1,у ~ ' 0-1,.

Р (рН.-р. г н.-р. | гатм.с

-11'-1 1>) 'У-!,/ 3

тСб.

л сб.

Сб.

чсб.

(19)

Изменение массы г-ГО ингредиента в результате биохимического окисления найдем в предположении равномерного распределения его концентрации по всему объему накопителя-регулятора

тбиохим. _ цгн.-р. . АСбиохим.

(20)

где

- средний объем стоков в накопителе-

л /-¡биохим.

регуляторе за рассматриваемый интервал времени; - изменение

концентрации /-го ингредиента.

(21)

Представленная модель разработана в предположении, что расстояние до створа полного перемешивания меньше расстояния до контрольного створа. При иных условиях математическая модель может быть видоизменена путем замены формулы (14) зависимостями для расчета разбавления.

3. ОЦЕНКА ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ МЕТОДИКИ НА ПРИМЕРЕ МОДЕЛЬНОГО ОБЪЕКТА

В качестве примера реализации предложенной математической модели рассмотрен комплекс водоохранных мероприятий в санатории Молоковка в Читинской области, расположенного на малой одноименной реке.

Расчет гидрологических характеристик р. Молоковка выполнен по рекам-аналогам в соответствии с требованиями нормативной литературы. Гидрограф стока (ежедневных расходов) р. Молоковка построен для периода с 1970 по 1987 г. (18 лет) путем пересчета соответствующих расходов р. Карповки с коэффициентом, равным отношению их годового стока (Кр=0,56).

Фоновые концентрации загрязняющих веществ р. Молоковка установлены на основании наблюдений, проведенных на кафедре водного хозяйства и инженерной экологии ЧитГУ. Водопотребление и водоотведение рассчитаны по нормам СНиП-2.04.03-85 и уточнены проведенными замерами.

На основании результатов химических анализов сточные воды санатория отнесены к хозяйственно-бытовым стокам обычного типа.

Для решения задачи оптимизации очистки сточных вод санатория и определения параметров очистки и сброса сточных вод с учетом

гидрологических особенностей водоприемника (р. Молоковка) построены функции затрат (рисунок 3) на строительство очистных сооружений для очистки стоков санатория в зависимости от выходной концентрации основных загрязняющих веществ. В качестве примера приведены функциональные зависимости для азота аммонийного, фосфатов, СПАВ, нефтепродуктов.

Рисунок 3 - Примеры функций затрат на очистку: а - азот аммонийный; б - фосфаты; в - СПАВ; г - нефтепродукты

На основании сметно-экономического расчета определены затраты на строительство накопителя-регулятора при разных его объемах (рисунок 4), установлена соответствующая зависимость:

Рисунок 4 - График зависимости стоимости накопителя от его объема

В результате математического моделирования установлены зависимости приведенной стоимости строительства очистных сооружений, накопителя-регулятора и общей приведенной стоимости комплекса водоохранных мероприятий от концентрации загрязняющих веществ после очистных сооружений для различных ингредиентов (рисунок 5).

Из них следует, что максимальные затраты требуются для обеспечения нормативного качества воды в водоприемнике по содержанию в ней нефтепродуктов.

Таким образом, нефтепродукты в рассматриваемом примере являются лимитирующим ингредиентом, при обеспечении нормативных требований по которому, выполняются и нормы содержания в водоприемнике других ингредиентов.

В результате моделирования установлено, что при повышении качества очистки стоков на очистных сооружениях наблюдается переход от многолетнего режима работы накопителя (рисунок 6 - б, в) к годичному (рисунок 6 - а). С ростом концентрации ингредиента после очистных сооружений значительно возрастает объем, и, следовательно, стоимость накопителя, но в тоже время сокращаются затраты на строительство очистных сооружений.

При анализе результатов моделирования установлено, что в рассматриваемом случае может быть предложено два варианта водоохранного комплекса, примерно равных по затратам на строительство.

Первый вариант: строительство очистных сооружений стоимостью 7 млн. руб., обеспечивающих очистку стоков: от нефтепродуктов до 0,6 мг/л; азота аммонийного - 8 мг/л; фосфатов - 1.5 мг/л; СПАВ - 0.3 мг/л. В этом случае необходимо создание накопителя-регулятора объемом 220 тыс. м3 и стоимостью 6,58 млн. руб.

Рисунок 5 - Зависимости стоимости комплекса водоохранных мероприятий от концентрации: а - азота аммонийного, б - фосфатов, в - СПАВ, г - нефтепродуктов

Второй вариант: строительство очистных сооружений стоимостью 12,00 млн. руб., обеспечивающих очистку стоков: от нефтепродуктов до 0,15 мг/л; азота аммонийного - 2 мг/л; фосфатов - 0,4 мг/л; СПАВ - 0,2 мг/л. При этом достаточно создание накопителя-регулятора объемом 33,2 тыс. м3 и стоимостью 2,06 млн. руб.

а)

Рисунок 6 - Регулирование недостаточно очищенных сточных вод прудом-накопителем при концентрации нефтепродуктов

после очистных сооружений: а - 0,1 мг/л; б - 0,3 мг/л; в - 0,5 мг/л

В данном случае за счет регулирования сброса недостаточно очищенных сточных вод затраты на реализацию водоохранных мероприятий сокращаются более чем на 4 млн. руб. по сравнению со строительством только очистных сооружений, обеспечивающих нормативную очистку стоков.

Таким образом, оптимизация схемы очистки сточных вод с применением накопителей недостаточно очищенных сточных вод позволяет обеспечивать соблюдение экологических и санитарно-гигиенических требований по разбавлению сточных вод в реке-водоприемнике при одновременном снижении затрат на водоохранные мероприятия.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Представленная диссертация является научно-квалификационной работой, в которой на основании исследований, выполненных автором, содержится решение задач по защите от загрязнения сточными водами малых перемерзающих рек с паводковым режимом стока и изложены научно обоснованные технические решения.

Основные научные и практические результаты исследований заключаются в следующем:

1. Установлено, что для защиты от загрязнения перемерзающих рек с паводковым режимом стока наиболее применим вариант аккумулирования очищенных сточных вод для последующего отвода в водоприемник пропорционально его водности.

2. Разработана методика определения оптимальных параметров сооружений водоохранного комплекса, при которых суммарные приведенные затраты являются минимальными. В связи со значительными сложностями построения обобщающей функции затрат на очистные сооружения предложен подход, заключающийся в оптимизации состава мероприятий по очистке стоков от различных ингредиентов с последующим выбором варианта с максимальными затратами.

3. Установлено, что для защиты от загрязнения перемерзающих рек с паводковым режимом стока наиболее применим вариант аккумулирования очищенных сточных вод для последующего отвода в водоприемник пропорционально его водности.

4. Разработана методика определения оптимальных параметров сооружений водоохранного комплекса, при которых суммарные приведенные затраты являются минимальными. В связи со значительными сложностями построения обобщающей функции затрат на очистные сооружения предложен подход, заключающийся в оптимизации состава мероприятий по очистке стоков от различных ингредиентов с последующим выбором варианта с максимальными затратами.

5. Разработана математическая модель, и алгоритм ее реализации, отличающийся тем, что при моделировании задается постепенное повышение качества сточных вод после очистных сооружений. В зависимости от него

моделируется многолетний цикл работы накопителя-регулятора для нахождения соответствующей его емкости и экономических показателей.

6. Примеры моделирования работы комплекса водоохранных сооружений показывают, что при повышении качества очистки стоков на очистных сооружениях наблюдается переход от многолетнего режима работы накопителя к годичному. При этом стоимость накопителя повышается при одновременном снижении затрат на очистку стоков

7. Выполненная апробация предложенной методики на примере санатория Молоковка показала работоспособность разработанной методики и возможность снижения затрат на водоохранные мероприятия на 20 и более процентов.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ИЗЛОЖЕНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. Маслова А.В., Шильникова Т.Л., Шаликовский А.В., Восстановление экологически благоприятного стока малых рек агролесомелиоративными и гидротехническими методами // М-лы Всерос. конф. «Бассейн реки: эколого-водохозяйственные проблемы рационального природопользования».-Екатеринбург: РосНИИВХ, 1996. С. 76-77.

2. Маслова А.В., Шильникова Т.Л., Шаликовский А.В. Влияние природных и антропогенных факторов на водный баланс малых рек. // Вестник Читинского государственного технического университета. Вып. 4. - Чита: ЧитГТУ, 1997.-С.9-15.

3. Шильникова Т.Л. Проблемы использования и охраны водных ресурсов промерзающих рек // Тез. докл. междунар. конф. «Забайкалье на пути к устойчивому развитию: экология, ресурсы, управление».- Чита: ЧитГТУ, 1997. - С. 25-26.

4. Шаликовский А.В., Шильникова Т.Л. Учет особенностей формирования водных ресурсов Читинской области при планировании водоохранной деятельности // Вестник Читинского государственного технического университета: выпуск 7. - Чита: ЧитГТУ, 1997. - С. 111-116.

5. Шильникова Т.Л. Использование методов математического моделирования при обучении студентов направления "Природообустройство" (на примере совместной работы очистных сооружений и накопителей сточных вод) // Тез. докл. межвузов, конф. «Роль фундаментальных дисциплин в формировании молодого специалиста»: - Чита: ЧитГТУ, 1998. - С. 54 - 55.

6. Шильникова Т.Л. Определение оптимальных параметров накопителей-регуляторов очищенных сточных вод // Тез. докл. междунар. конф. «Наука и образование на рубеже тысячелетий». - Чита: ЧитГТУ, 1999. - С. 105-107.

7. Шильникова Т.Л. Способы охраны малых рек Забайкалья от загрязнения сточными водами //Тез. докл. регион, конф. «Проблемы освоения и рационального использования природных ресурсов Забайкалья». - Чита: ЧитГТУ, 2000.-С. 95-97.

8. Шильникова Т.Л., Иванова Г.Г. Влияние сточных вод малых населенных пунктов на водные объекты/ /Тез. докл. регион. конф. «Проблемы освоения и рационального использования природных ресурсов Забайкалья». -Чита: ЧитГТУ, 2000. - С. 97-99.

9. Иванова Г.Г., Шильникова Т.Л., Воздействие сточных вод малых населенных пунктов на водные экосистемы рек бассейна озера Байкал // М-лы междунар. конф. и выставки АрУАТБККА. -Санкт-Петербург, 2000. - С. 66-68.

10. Иванова Г.Г., Шильникова Т.Л. Оценка качества речных вод Читинской области по биологическим показателям // М-лы междунар. симпозиума «Чистая вода России - 2001».- Екатеринбург, 2001.- С. 37.

11. Шильникова Т.Л. Применение накопителей-регуляторов в технологии очистки сточных вод // Тез. докл. 2-ой междунар. конф. «Забайкалье на пути к устойчивому развитию: экология, ресурсы, управление». - Чита: ЧитГТУ, 2001. -С. 98-100.

12. Шильникова Т.Л. Математическая модель очистки сточных вод с высокой изменчивостью расходов и концентраций загрязняющих веществ // Вестник Читинского государственного технического университета: Выпуск 18. -Чита: ЧитГТУ, 2001.-С. 10-14.

13. Шильникова Т.Л. Режим работы пруда-накопителя сточных вод малого населенного пункта // Мат-лы науч. конф. «Природные ресурсы Забайкалья и проблемы природопользования». - Чита: ЧИПР СО РАН, 2001. -С. 164-165.

14. Шильникова Т.Л., Шаликовский А.В. Математическая модель очистки сточных вод малого населенного пункта с прогнозом воздействия сбросов на водоприемник //Тез. докл. междунар. конф. «Проблемы прогнозирования в современном мире». - Чита: ЧитГТУ, 1999. - С. 183-185.

15. Шильникова Т.Л. Оптимизация очистки сточных вод санатория Молоковка с применением накопителя-регулятора // Тез. докл. регион, конф. «Проблемы освоения и рационального использования природных ресурсов Забайкалья». - Чита: ЧитГТУ, 2000. - С. 71-72.

16. Шильникова Т.Л., Шаликовский А.В. Оптимизация очистки сточных вод малых населенных пунктов // М-лы междунар. симпозиума «Чистая вода России - 2001». - Екатеринбург, 2001. - С. 196 -197.

17. Шильникова Т.Л., Шаликовский А.В. Применение накопителей для регулирования сброса недостаточно очищенных сточных вод // Водные ресурсы и водопользование / Под науч. ред. В.Н. Заслоновского и А.В. Шаликовского. -Екатеринбург- Чита: Издательство РосНИИВХ, 2003. - С. 71-77 .

Лицензия ЛР № 020525 от 02.06.97 г. Сдано в производство 12.09.2004 г.

Уч.-изд. л. 1 Усл. печ. л.1

Тираж 100 экз. Заказ № 96

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

РИК ЧитГУ

Р21 038

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Шильникова, Татьяна Леонидовна

ВВЕДЕНИЕ.

1 ОСОБЕННОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МАЛЫХ РЕК ДЛЯ ПРИЕМА СТОЧНЫХ ВОД.

1.1 Малые реки и проблема их деградации.

1.2 Влияние физико-географических факторов на загрязнение малых рек.

1.3 Методы защиты водоприемников от загрязнения сточными водами малых населенных пунктов.

1.3.1 Общие требования к сбросу сточных вод.

1.3.2 Методы очистки сточных вод малых населенных пунктов.

1.3.3 Биологическая очистка сточных вод малых населенных пунктов.

1.3.4 Применение накопителей сточных вод в составе водоохранного комплекса.

1.4 Выводы из обзора литературы.

2 МЕТОДИКА ОПТИМАЛЬНОГО ПЛАНИРОВАНИЯ ВОДООХРАННЫХ МЕРОПРИЯТИЙ.

2 Л Основная цель и задача исследований.

2.2 Эколого-математическая модель водоохранных мероприятий.

2.2.1 Целевая функция и критерий оптимальности.

2.2.2 Уравнения связи и ограничения.

2.3 Алгоритм эколого-математической модели.

2.4 Методика сбора и подготовки данных для моделирования.

3 ОЦЕНКА ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ МЕТОДИКИ НА ПРИМЕРЕ МОДЕЛЬНОГО ОБЪЕКТА.

3.1 Объект исследований.

3.2 Исходные данные для расчета.

3.2.1 Характеристика водоприемника.

3.2.2 Элементы водного баланса накопителя-регулятора сточных вод.

3.2.3 Элементы химического баланса накопителярегулятора сточных вод.

3.2.4 Затраты на строительство очистных сооружений и накопителя-регулятора.

3.2.4.1 Затраты на строительство очистных сооружений.

3.2.4.2 Затраты на строительство накопителя-регулятора

3.3 Моделирование совместной работы очистных сооружений и накопителя-регулятора.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Защита малых перемерзающих рек с паводковым режимом стока от загрязнения сточными водами"

Актуальность темы. Охрана малых рек от загрязнения сточными водами является сложной комплексной проблемой. Ее решение осложняется региональными особенностями водоприемников, определяемых зональными и азональными факторами. Под влиянием этих факторов не всегда обеспечиваются условия разбавления сточных вод в малых реках, а особенно - в перемерзающих водотоках с паводковым гидрологическим режимом, характерным для рек Восточного Забайкалья, а также ряда других регионов Российской Федерации. В этих условиях соблюдение всех экологических требований приводит к значительному увеличению затрат на осуществление водоохранных мероприятий, поэтому перспективным способом решения проблемы является регулирование сброса сточных вод после очистных сооружений.

Существующие методы планирования водоохранных мероприятий не предусматривают возможность выбора оптимального состава и параметров сооружений очистки сточных вод с емкостью для регулирования их сброса в водоприемник. В то же время от параметров очистных сооружений зависит состав вод, поступающих в накопитель, а, следовательно, его емкость и величина затрат на осуществление всего комплекса водоохранных мероприятий. Кроме того, существующие методики расчета регулирования сброса сточных вод могут применяться только для рек с весенним половодьем и не учитывают неравномерность распределения стока в другие периоды года.

Таким образом, исследования, направленные на разработку методов защиты малых перемерзающих рек с паводковым режимом стока от загрязнения сточными водами являются актуальными. Применение их результатов позволит обеспечить соблюдение экологических и санитарногигиенических требований со значительным снижением затрат на водоохранные мероприятия.