Назначение ориентировочного требуемого уровня снижения вредного воздействия на поверхностный водный объект Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

УДК 543.3

Шарапов Николай Михайлович Nikolay Sharapov

НАЗНАЧЕНИЕ ОРИЕНТИРОВОЧНОГО ТРЕБУЕМОГО УРОВНЯ СНИЖЕНИЯ ВРЕДНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ПОВЕРХНОСТНЫЙ ВОДНЫЙ ОБЪЕКТ

APPOINTMENT OF TENTATIVE REQUIRED LEVEL REDUCING EXPOSURE ON SURFACE WATER BODIES

Рассмотрены основные основополагающие принципы назначения ориентировочного требуемого уровня снижения вредного воздействия на поверхностный водный объект. Предложен методический подход к определению консервативности загрязняющих веществ

Елючевые слова: трансформация загрязняю-щеговещества, «чистоеразбавление», консервативность загрязняющего вещества, приращение массового расхода загрязняющих веществ, модуль трансформации загрязняющего вещества

The basic fundamental principles of indicative level appointment required to reduce harmful effects on surface water bodies are observed. A methodical approach to the definition of conservative pollutants is presented

Key words: transformation of polluting substance, «pure diluting», conservatism of polluting substance, increment of polluting substances mass expense, module ofpolluting substance transformation

В последнее десятилетие вопрос о формировании качества вод природных водных объектов является предметом бесчисленных дискуссий, научных исследований. Авторы работают над этой проблемой потому, что при формировании бюджетов различных уровней, расходных статей экологических фондов, территориальных и муниципальных программ восстановления и охраны водных объектов решение вопросов о расширении и создании новых производств выливается в альтернативу вложения средств в те или иные организационно-технические мероприятия. Средств этих всегда не хватает и при отсутствии надежного критерия эффективности того или иного мероприятия используют субъективные факторы, базирующиеся на действующих нормативах, часто не учитывающих региональные особенности формирования качественного состава воды, в том числе его

природной составляющей. В конечном итоге принятая программа, план мероприятий и т.д. не приносят ожидаемого эффекта, а порой усугубляют обстановку.

Наиболее востребованы в настоящее время математические модели, реализуемые с использованием современных ЭВМ. Они позволяют решать самые сложные задачи. К ним относятся одномерные модели русловых течений A.A. Атавина, О.Ф. Васильева [1], Ж.А. Кюнжа, Ф.М. Холли [2], A.A. Атавина, О.Ф. Васильева и А.Ф. Воеводина [3] и др. Основное затруднение в использовании одномерных задач применительно к речным потокам состоит в сложности нахождения коэффициента шероховатости, численное значение которого задается «методом подбора» с большой погрешностью [4; 5; 6; 7]. Кроме того, для изучения распространения консервативной примеси по течению реки дополнительно

решается уравнение переноса [8], в котором, кроме температуры и динамических характеристик водотоков, необходимо учитывать взаимодействие загрязняющих веществ между собой.

Двумерные (в горизонтальной плоскости) модели описывают более сложные процессы, рассматривают широкий круг прикладных задач и реализуются с использованием системы уравнений «мелкой воды» [9]. Применение этих моделей для естественных водотоков нашло отражение вработахГ.Б. Волковой, В.И. КвонаиТ.Н. Филатовой [10], С.М. Шугрина [11]идр.

Двумерные (в вертикальной плоскости) моделирассмотрены О.В. Васильевым, В.И. Квоном и Р.Т. Чернышевым [12], Б.В. Архиповым, В.Г. Киселевым и В.В. Солбаковым [13]идр.

Трехмерные модели, которые применяются, когда течение воды в водном объекте нельзя считать установившимся и

плавно изменяющимся, описаны в работах В.М. Белолипецкого, В. Ю. Костюка и Ю. И. Шокина [14].

В то же время, применение численных методов в настоящее время ограничено. При создании системы оперативного прогнозирования и нормирования техногенных нагрузок, при достаточно ограниченном объеме исходной информации, в первую очередь, гидрохимического и гидробиологического характера, целесообразно использовать более простые модели.

Предлагается использовать простое уравнение гидрохимического баланса для назначения ориентировочного требуемого уровня снижения вредного воздействия (ОТУС) на водный объект (участок) по привносу загрязняющих веществ (ЗВ).

Рассмотрим участок реки, ограниченный НИЖНИМ ( I +1 ) -м и верхним ( I ) -м створами (рис. 1) [15].

Рис. 1. Схема изменения расходов воды в реке, массового расхода и концентрации ¡-го загрязняющего вещества на участке реки от створа ¡до створа (¡ + 1)

Расход воды в нижнем створе складывается из транзитного расхода, протекающего через верхний створ ( Qi ) и сформировавшегося расхода в пределах выделенного участка за счет сосредоточенного и диффузионного стоков ( 11,! ).

В пределах выделенного участка реки трансформация содержания у -го ЗВ в воде

происходит за счет следующих процессов: во-первых, за счет привноса дополнительного его количества с сосредоточенным ( ш{ ; ; т3і )и диффузионным

( ті+\,і(дф) = Ч ’ т/+1,;(Ср)) стоками с водосбора

и его разбавления из-за увеличения расхода ввиду ТОГО же сосредоточенного ( Оу; 0,2 ; бз )

и диффузионного ( ^ ) стоков, в том числе — и подземного; во-вторых, в природных водных объектах процессы изменения содержания ЗВ не исчерпываются «механическим» привносом и разбавлением.

Выразим приращение массового расхода рассматриваемого ЗВ через поступление этого вещества в пределах выделенного

участка как с диффузионным (

т

з

1+1,1 (дф)

),

так и с точечным ( Щ+у (соср)

) стоками

( т]:

1+1,1 (соср)

п=1

£ в. ■ сп •

где N — количество сосредоточенных притоков), т.е.

з

г+1,г(дф)

1+1,1 (поступление) 1+1,1 (соср)

и самоочищающая способность водного объекта

( т1+1,1 (со') ) Ат1+1,1 — т1+1,[( поступление) — т1+1,1 (со).(1)

Решить уравнение (1) не представляется возможным, т.к. разделить поступление рассматриваемого ЗВ в пределах выделенного участка и его самоочищение невозможно. Однако известно, что формирование качественного состава в водном объекте происходит под действием двух взаимосвязанных процессов «чистого «механического» разбавления» и трансформации гидрохимического режима под действием процессов химической, биологической, физико-химической и др. природы.

Рассмотрим частный случай — это «чистое разбавление», для которого характерны следующие условия:

— изменение концентраций ЗВ

происходит только за счет их поступления и последующего разбавления в пределах выделенного участка, т.е. АСу — — су — Су — Су — Су ;

АЛ'^г+1,! 1ЛУ-'1+и(чрз) ^1+1 К-'1+1(чрз)

— изменение масс ЗВ и их концентраций за счет внутриводоемных процессов, таких, как самоочищение, поступление из донных отложений, гидробиологических процессов и т.д., происходящих в русле реки в пределах выделенного участка, не происходит, поэтому т/+1,— т. + Ат/+1,Нчрз);

— расход в нижнем створе складыва-

ется из транзитного, входящего в верхнии створ () и притекающего в пределах

рассматриваемого участка ( АЦ 1 ( ) ), т.е.

(а*—АЙ.+1, .+а).

Следовательно, уравнение для расчета концентрации у -го ЗВ в нижнем (1 +1 ) -м створе для условий «чистого разбавления» может быть записано в следующем виде:

С У — т/+1 — т' + Ат1+1,1(чрз ) /2)

'+1 а+1 а+1 '

а приращение концентраций этого вещества между рассматриваемыми створами есть разность концентраций в нижнем (1 +1 )-м ( С/+1) и в верхнем (¡)-м ( С. ) створах:

АС/+1. — С+, - С! — т 1 +Ат‘+1,1{чрз) — С У .(3)

а

+1

Еслиуравнение (3) преобразовать: АСЗ = — -Ы _ +1 -,(4)

І+1, І(чрз) ^ ^ І+1, І(чрз) ^ ^

еЧ+\,г{чрз) п п

I+1 а а1+1

то оно может быть записано в следующем виде:

АСЗ

І,І+1(чрз)

1

а+1

-АтІ+1,І(чрз)

с)

л

1

а

а+1 у

которое и описывает трансформацию рассматриваемого ЗВ в случае «чистого разбавления». Если в уравнении (5) ввести обозначения: первое:

с1+ — —

І+1,1(чрз)

а

+1

и второе:

(чрз)

Щ-0і+1 - Щ-0і

аа

=сз)

і+1

1 -

а

а

і+1 у

то оно преобразуется в линейное:

АСу — * Аmj —

1+1,1(чрз) и1+1,1(чрз ) Ш[п 1+1,1(чрз ) У1+1,1(чрз ). (Ь)

Уравнение позволяет сделать вывод, что численное значение углового коэффициента ( d+1 ¡(чрз)) не зависит от вида ЗВ, т.к. представляет собой обратную величину расхода водотока в замыкающем (I +1 ) -м створе, т.е.

1

^І+1,1 (чрз)

а

+1

(7)

Рассмотрим реальный водный объект, для которого процессы самоочищения и привноса неразделимы, а фактический баланс всех процессов описывается уравнением

Ат /+1,,- = (Ат/+1,,- У - (т/+м)=

= (а ■ аз+Аа+1,, ■ асі+1, - а ■ со - уч.

Имея продолжительный ряд наблюдений по гидрологическим и по гидрохимическим характеристикам водного объекта для каждого ЗВ, их последующая математическая обработка по различным рекам в зоне действия ЗабУГМС по Амурскому (рр. Ингода и Онон) и Байкальскому (рр. Хи-лок, Селенга) бассейнам показала, что в реальных условиях зависимость приращения концентраций З го ЗВ ( АС/+1;(дв)) от приращения масс этого же вещества( Ат + ,(дв))

в пределах участков водотока, ограниченных существующими стационарными створами, описывается линейным уравнением

[15]:

АС,

З

+1, (дв)

= Ат З

І+1,1(дв) +1,1

З

- ЬІ

(8)

где а.+1. и Ь-+1. — соответственно значения углового коэффициента и свободного члена для рассматриваемого ЗВ, численные значения которых для рассматриваемых участков, для водотока в целом, а также для разных водотоков неодинаковы. Они учитывают исторически сложившиеся условия формирования количественных и качественных показателей водных ресурсов и уникальность бассейна, в пределах которого происходит их формирование.

Уравнение (8) позволяет примерно рассчитать массовый расход рассматриваемого ЗВ или его концентрацию в любом створе, моделировать изменение приращения массового расхода этого ЗВ и его концентрации в пределах выделенного участка, в том числе и на нижерасположенных, при разработке программы водоохранных мероприятий, а также распределять планируемые нормативы НДВ между всеми водопользователями, расположенными на этом участке.

Известно [16], что ЗВ в качественном отношении подразделяются на консерва-

тивные и неконсервативные. Первые не поддаются воздействию процессов превращения, разрушения и изменяют свою концентрацию в воде вследствие разбавления. Вторые изменяют свою концентрацию в воде не только за счет разбавления, но также и иод воздействием различных процессов биохимической, физико-химической деструкции и в результате химического взаимодействия с водой и содержащимися в ней веществами.

В действующей методике комплексной оценки степени загрязненности поверхностных вод по гидрохимическим показателям [21] четкого разделения веществ на консервативные и неконсервативные нет. Такое разделение следует считать условным, поскольку в зависимости от водности года, гидравлического, термического и гидрохимического режимов «консервативность» или «неконсервативность» ЗВ проявляются в разной степени.

В то же время, действующая методика разработки нормативов допустимых воздействий предусматривает при их расчете применения коэффициента неконсерва-тивности [17], численное значение которого определяется на основании данных натурных наблюдений или по справочным данным и пересчитывать в зависимости от температуры воды и скорости течения. Из-за скудного количества или практически полного отсутствия данных определить значения коэффициента неконсервативности ЗВ, уточнить его справочное значение зачастую не представляется возможным.

Далее предлагается методический подход к определению консервативности ЗВ. На рис. 2 и 3 показаны линейные зависимости, описывающие трансформацию ЗВ в русле реки в пределах выделенного участка водотока между верхним I -МИНИЖНИМ ( I + 1 )-м створами как для условий «чистого разбавления» (ЛИНИЯ 1 - АС/+1Дчрз) — / (Ат!+и)чрз ) К так и в природных водных объектах (линия

2 - АС1+Щдв) — /(Ат1+щдв)) )• На Рис- 2 эти зависимости приведены для неконсервативных веществ (например, биогенов), а на рис. 3 — для консервативных веществ (например, СПАВ).

вторичного загрязнения Рис. 2. Трансформация неконсервативного загрязняющего вещества

самоочищения

Рис. 3. Трансформация консервативного загрязняющего вещества

Анализ рисунков позволяет выделить следующие характерные точки, независимые от вида ЗВ:

— для линейной зависимости 1 («чистого разбавления* - ас;+ ^, — /(Дт/+и )р )

— это точка 1, проходящая через начало координат^ АС/+1Дчрз) — Он Ат+1ДЭк) — О );

— для линейной зависимости 2 (реальный водный объект - АС/+М(йв) — /(Ат1+и)де )

— это точка II (при АС/+ 1Дчрз) — 0 ) с координатами

Ь

(_£к.;0 ) И точка III (при АтмЛде) — 0 )

а

І+1,1

с координатами ( 0; Ь/+1);

— точка IV — пересечение двух линейных зависимостей, в которой «чистое разбавление» соответствует трансформации у -го ЗВ в реальном водном объекте.

Таким образом, можно констатировать, что:

1) характерная точка II показывает, что в реальном водном объекте приращение массового расхода рассматриваемого ЗВ происходит только за счет изменения расхода в пределах выделенного участка, концентрация же этого вещества на данном участке остается постоянной;

2) характерная точка III показывает, что в реальном водном объекте приращение массового расхода рассматриваемого ЗВ происходит только за счет изменения его концентрации в пределах выделенного участка, в то время как расход на этом участке остается постоянным;

3) характерная точка IV показывает соотношение между «чистым разбавлением» и внутриводоемными процессами.

Рассмотрим частный случай трансформации у -го ЗВ, т.е. точку VI — пересечение двух линейных зависимостей, в которой «чистое разбавление» соответствует процессам в реальном водном объекте. Сравнение общего вида уравнений (6) и (8) позволяет констатировать, что они совпадают. Тогда результаты расчетов по этим уравнениям по среднегодовым данным также должны быть равными [18]:

ДС„М = Ас,Ыисп»разбт

Ат = Ат,, ,, б

реал.реки чисп разбав .

Ат/+1,1'(вн) ^ 0

(9)

Исходя из этого, можно предположить, что если выполняются условия: первое:

±8 , где 8в — погрешность из-

+1,г +1,г(чрз) * ±8й

мерения расхода воды в водотоке; и второе bi+1,1 — Г+1,1 (чрз) * ±8+8 , где8е - погрешность определения концентрации у -го ЗВ, то данное ЗВ является консервативным, в противном случае — неконсервативным для конкретных условий участка водотока.

В первом приближении оценка степени консервативности вещества может быть произведена по коэффициенту корреляции ( Я2 ) экспериментальной зависимости (7). Для консервативных веществ Я2 значительно ниже, чем для неконсервативных.

На основании изложенного можно констатировать, что в реальном водном

объекте в зависимости от водности года могут наблюдаться следующие характерные случаи:

1) с увеличением притекающего расхода изменение содержания у -го инградиен-та происходит только за счет преобладания процесса его привноса с сосредоточенным и диффузионным стоком с водосбора и его разбавления из-за увеличения расхода ввиду того же сосредоточенного и диффузионного стоков;

2) с уменьшением притекающего расхода процесс «механического» привноса и разбавления снижается, начинают преобладать естественные процессы в водных объектах.

В зависимости от хозяйственной освоенности водосбора (антропогенного воздействия на водный объект) и региональных природно-климатических условий трансформация его гидрохимического режима может происходить по одному из следующих сценариев [19]:

1) экологически благоприятное состояние — самоочищение преобладает над поступлением ЗВ, которое наблюдается в водном объекте при выполнении одного из следующих условий:

— естественные процессы в водном объекте преобладают над «чистым разбавлением» или наоборот;

— естественные процессы в водном объекте соизмеримы с «чистым разбавлением»;

2) деградация водного объекта — поступление ЗВ преобладает над самоочищением.

Таким образом, линейные зависимости «чистого разбавления» и реального водного объекта графически представлены взаимно пересекающимисялиниями (рис. 4).

Рис. 4. Схема соотношения изменения масс химического вещества или соединения в русле реальной рекиидля случая «чистого разбавления»

Для оценки существующего состояния водного объекта в [20] введено понятие модуль трансформации у -го ЗВ, представляющего отношение приращения массового расхода к площади выделенного участка во-

досбора, т.е. M+1i =

А<1л

f

+1, i

ACj = aj ■ Mj ■ f - bj

i+1, i u i+1, i 1 yli+1, i Ji+1, i ui+1, i ■

твенно в самом водном объекте.

Если привести уравнение (12)к виду, bj

ACJ

M+ 1i = ——+

i +1

i+1,i

а

+1 i +1

а

f+

+1 i +1

Выразим из данного уравнения приращение массового расхода ( Лт/+у = Ы]м. ■ /м. ) и подставим его в уравнение (8), получим

(12)

Уравнение (12) увязывает два взаимосвязанных процесса —формирование гидрохимического режима водного объекта в пределах выделенного участка водосборной площади и его трансформацию непосредс-

то на основании обработки многочисленных, достаточно продолжительных рядов среднегодовых наблюдений можно убедиться, что второй член фактически будет являться существующим региональным «фоном» по данному ЗВ, а первый — отражать процесс трансформации рассматриваемого инградиента как в водотоке, так и его водосборе, по значению которого и следует назначать программу водоохранных мероприятий (назначение ОТУС), исходя из планируемого изменения модуля трансформации у -гоЗВ.

Литература

1. Атавин A.A., Васильев О.Ф., Воеводин Е.В. и др. Численные методы решения одномерных задач гидравлики // Водные ресурсы. — 1983. — №4, — С. 38-47.

2. Кюнж Ж.А., Холи Ф.М., Вервей А.М. Численные методы в задачах речной гидравлики: практическоеприменение. — М.: Энергоатомиздат, 1985. — 256 с.

3. Воеводин А.Ф., Никифоровская B.C. Численный метод решения некоторых обратных задач гидравлики // Водные ресурсы. — 1981. — №3. — С. 114-118.

4. Прохорова Н.Б., Черняев А.М., Бунькова О.В. Государственная политика управления водными ресурсами в Нидерландах // Водное хозяйство России. — 2000. — № 3. — Екатеринбург: РосНИИВХ.-С. 115-134.

5. Litrico X. Nonlinear diffusive wave modelling and identification of open channels // Journal of Hydraulic Engineering. - Vol. 127. - April 2001,- P. 313-320.

6. Добровольская 3.H., Епихов Г.П., Корявов П.П. и др. Математические модели для расчета динамики и качества сложных водных систем // Водные ресурсы,— 1981. — №3. — С. 33-51.

7. Вавилин В.А. Время оборота биомассы и деструкция органического вещества в системах биологической очистки сточных вод. — М.: Наука, 1986. — 144 с.

8. Леонов В.В. Математическое моделирование трансформации соединений фосфора в пре-сноводныхэкосистемах (напримере оз. Балатон). — М.: Наука, 1986. — 152 с.

9. Вольцингер Н.Е., Пясковский Р.В. Теория мелкой воды. Океанические задачи и числен-ныеметоды. — Л.: Гидрометеоиздат, 1977. — 207 с.

10. Волкова Г.Б., Квон В.И., Филатова Т.Н. Численное моделирование ветровыхтечений в Чудском озере // Водные ресурсы. — 1981. — №3.—С. 91-99.

11. Шугрин С.М. Соединение одномерной и двумерной (плановой) моделей течения воды // Водные ресурсы. — 1987. — №5, — С. 5-15.

12. Васильев О.Ф., Квон В.И., Чернышева Р.Т. Температурно-стратифицированное течение в водоеме вытянутой формы // Гидротехническое строительство. — 1974. — № 4. — С. 3543.

13. Архипов Б.В., Киселев В.Г., Солбаков В.В. Двумерная модель термического режима во-доемасложной формы // Тр. ИОФАН, т. 53, 1997. — С. 89-100.

14. Белолипецкий В.М., Костюк В.Ю., Шокин Ю.Н. Математическое моделирование течений стратифицированнойжидкости. — Новосибирск: Наука. Сиб. Отд-е, 1991. — 176 с.

15. Шарапов Н.М., Заслоновский В.Н. О математическом описании внутриводоемных процессов в руслах рек // Вестник Читинского государственного университета (Вестник ЧитГУ) № 3 (54). — Чита: ЧитГУ, 2009.-С. 36-41.

16. Методические основы оценки антропогенного влияния на качество поверхностных вод // Под ред. засл. деяг. науки и техники проф. A.B. Караушева. — Л.: Гидрометеоиздат, 1981. — 175 с.

17. Методические указания по разработке нормативов допустимого воздействия на водные объекты: утверждены приказом министерства природных ресурсов РФ 12 декабря 2007 г. № 328: зарегистрированы в Минюсте РФ 23.01.2008 г., per. № 10974.

18. Шарапов Н.М., Заслоновский В.Н. Методический подход к определению косервативнос-ти загрязняющих веществ и соединений // Горный информационно-аналитический бюллетень.

- М.: МГГУ. - 2009. - № ОВ6 Дальний Восток. - С. 147-156.

19. Заслоновский В.Н., Шарапов Н.М., Капралов В.И., Черепанова Т.В. Об оценке водноэкологического состояния водосбора и планировании мероприятий по его улучшению на основе интегральных показателей // Водное хозяйство России. — 2003. — Т. 5. — № 1. — Екатеринбург: РосНИИВХ.-С. 18-29.

20. Шарапов Н.М., Заслоновский В.Н., Черепанова Т.В. Качественная оценка стока с водосбора с использованием модуля выноса // Материалы V республиканской научной конференции «Актуальные экологические проблемы Республики Татарстан». «Отечество». — Казань, 2003. — С. 274.

21. РД 52.24.643-2002 «Методические указания. Метод комплексной оценки степени загрязненности поверхностных вод по гидрохимическим показателям».

Коротко об авторе____________________________

Шарапов Н.М., канд. техн. наук, доцент, Читинский государственный университет (ЧитГУ) nmsharapov@maiI.ru

Научные интересы: формирование гидрохимического режима водных объектов

______________________Briefly about the author

N. Sharapov, Candidate of Engineering Sciences, assistant professor, Chita State University

Scientific interests: formation of hydro-chemical condition of water bodies