CC BY
83
КРИТЕРИИ НЕОБХОДИМОСТИ ОЧИСТКИ РУСЕЛ РЕК НА УРБАНИЗИРОВАННЫХ ТЕРРИТОРИЯХ
CRITERIA OF THE REQUIREMENT FOR RIVERBED CLEANING ON URBANIZED TERRITORIES
У. Баяраа, B.C. Боровков, B.B. Казённое
U. Bayaraa, V.S. Borovkov, V.V. Kazennov
ГОУ ВПО МГСУ
Кратко рассмотрены факторы урбанизации, влияющие на динамику речного потока, русловой процесс и геоэкологию водотока рек, протекающих по селитебным территориям. Предложен комплекс критериев, на основании которых может быть принято решение о механической очистке русла урбанизированной реки от загрязнённых донных отложений.
The article briefly covers urbanization factors effecting the dynamics of water stream, riverbed process and geoecology of watercourse of rivers flowing over residential territories. Suggested is the complex of criteria to make decision to carry out mechanical cleaning of riverbed of urbanized river from polluted bed silt.
Возрастающее хозяйственное использование рек и водосборных площадей, изъятие значительной части стока, отведение в реки сточных вод приводит к прогрессирующему загрязнению и заилению речных русел.
Разработки, относительно которых предложены рассматриваемые в статье рекомендации, были выполнены для условий трансграничной реки Селенги - главного притока озеро Байкал.
На рис. 1 представлена карта бассейна р.Селенги с наиболее загрязнёнными участками водотоков. Эти участки приходятся на урбанизированные территории. В Монголии это столица Улан-Батор с населением около 1 млн. человек и развитой промышленностью; города Дархан, Эрдэнэт, Булган и Селенге.
В России основным источником загрязнения реки Селенга является крупный промышленный город Улан-Удэ, а также города Кяхта, Гусиноозерск, Петровск-Забайкальский и Закаменск.
Анализ особенностей динамики речного потока, экологических показателей и руслового процесса в пределах непосредственно урбанизированных территорий, а также в зонах влияния центров урбанизации на состояние прилегающей речной сети требует исследования влияющих факторов и оценки масштабов их влияния. Необходимость такого исследования связана, прежде всего, с резким ростом городского населения.
Процесс урбанизации развивается наиболее активно в тех регионах, которые имеют развитую речную сеть и в достаточной мере обеспечены водой. Поэтому урбанизация территории неминуемо приводит к существенному воздействию на речной сток, динамику речного потока и ход русловых процессов на участках водотоков не
5/2011
ВЕСТНИК _МГСУ
только в пределах самих урбанизированных территорий, но также и на расположенные ниже по течению участки рек значительной протяжённости.
— ЬИЧ^Г
Рис. 1 Река Селенга, её притоки на территории Монголии и России Обозначения:----граница Российской Федерации и Монголии
I 1 бассейн реки Селенги, - источники индустриального загрязнения, - область загрязненной территории
В числе влияющих факторов, связанных с урбанизацией вдоль р. Селенги, выделим следующие:
1. Водопотребление, регулирование стока во времени и территориальное перераспределение стока.
2. Водоотведение в речную сеть загрязнённых сбросных вод и поверхностного стока с урбанизированной территории.
3. Водоотведение полностью либо частично очищенных сточных вод.
4. Регулирование режима уровней в водотоках для обеспечения водозаборов и рекреационных целей.
5. Изменение очертаний речного русла в градостроительных целях и при добыче строительных материалов.
6. Устройство русловыправительных сооружений.
7. Инженерные сооружения в речном русле: мостовые переходы, водозаборы, трубопроводы и пр.
Перечисленные влияющие факторы, связанные с урбанизацией территории, приводят к изменению жидкого стока, твёрдого стока и к изменению границ речного русла.
Под изменением границ речного русла в данном случае понимается изменение плановых очертаний русла, искусственное его расширение, спрямление, переуглубление, возведение перегораживающих и других инженерных сооружений в русле реки, изменение физико-механических свойств донных наносов под влиянием факторов урбанизации, зарастание русла при обильном поступлении соединений азота и фосфора.
Участки водотоков, подвергающихся влиянию факторов урбанизации, можно разделить на два больших класса, отличающихся как динамическими характеристиками течения, так и ходом руслового процесса:
1. Участки рек с преобладанием процессов размыва.
2. Участки рек с преобладанием процессов заиления.
Преобладание процессов размыва на некоторых участках водотоков в пределах урбанизированных территорий может быть вызвано увеличением жидкого стока по сравнению с его бытовыми значениями. Такое увеличение может быть связано с отведением значительного количества очищенных сточных вод, увеличением жидкого стока в межень для целей разбавления сильно загрязнённых вод, увеличением общего объёма жидкого стока при искусственном обводнении водотока за счёт территориального перераспределения стока. Преобладание процессов размыва может быть связано с уменьшением твёрдого стока, поступающего с урбанизированной территории, спрямлением русла, а также размывами вблизи инженерных сооружений, влияющими на динамику речного потока и русловой процесс.
Преобладание процессов заиления на некоторых участках водотоков в пределах урбанизированных территорий связано с уменьшением жидкого стока в межень за счёт его потребления и срезкой пиков паводков вследствие аккумуляции весеннего стока. Урбанизация территории может быть связана с развитием производств, увеличивающих твёрдый сток, и с поступлением в речной поток специфических примесей, изменяющих качественный состав твёрдого стока. Попадание примесей в донные отложения приводит к их консолидации и увеличивает их устойчивость к размыву. Заилению речного русла способствует искусственное переуглубление и расширение русла в градостроительных целях, при добыче строительных материалов, а также зарастание русла, наблюдающееся в ряде случаев в связи с поступлением в речной поток биогенных соединений азота и фосфора, стимулирующих рост растительности.
Масштабы влияния факторов урбанизации на водоток зависят от соотношения между классом водотока и мощностью (площадью, населённостью, развитием промышленности) центра урбанизации [1]. Безразмерной характеристикой суммарного масштаба или степени воздействия центра урбанизации на водоток Мвл может служить отношение среднего суммарного расхода сбросных и сточных вод к среднегодовому расходу водотока 95 % -й обеспеченности:
Этот показатель прямо отражает лишь часть перечисленных выше факторов, учитывая другие лишь косвенно. При Мвл<1 контролируемое воздействие факторов урбанизации на водоток позволяет в ряде случаев за счёт значительных паводковых расходов Qп>>XQc сохранить его самоочистительную способность и поддержать сбалансированную экологическую систему близко к бытовой. При Мвл >1 поддерживать удовлетворительное состояние водотока и сохранить экологическую систему становится более сложным и дорогостоящим делом по мере усиления приведённого выше неравенства [5].
М
(1)
5/2011 ВЕСТНИК
_МГСУ
Так, по оценкам, в городах Улан-Батор (Монголия) и Улан-Удэ (Россия) этот показатель приближается к единице. На других урбанизированных территориях он лежит пределах 0,4...0,7.
При решении вопроса о необходимости очистки русла от загрязненных донных отложений следует учитывать социальную значимость этого мероприятия, особенно в тех случаях, когда загрязненный участок русла находится в пределах городской территории.
Необходимость очистки русла от загрязненных донных отложений должна быть обоснована расчетами показателей качества воды на загрязненном участке русла с учетом вторичного загрязнения. Предельно допустимые значения показателей качества речной воды и расчетные створы следует устанавливать в соответствии с «Правилами охраны поверхностных вод от загрязнения сточными водами» [235]; если водоток протекает по городской территории, то качество воды с учётом загрязняющей роли отложений рассчитывают для низовой границы городской территории. Для зон городских рекреаций, а также для водопользователей, расположенных ниже города (на расстояниях до 30 км), вторичное загрязнение воды определяется на основе натурных изысканий загрязненности речного дна.
При решении вопроса о необходимости очистки русла загрязненность речной воды для незарегулированных водотоков устанавливается применительно к наименьшему среднемесячному расходу воды года 95% -й обеспеченности, для зарегулированных водотоков - применительно к гарантированному санитарному попуску [2].
Повышение концентрации каждого вида примеси в речной воде С(вторичное загрязнение воды) вследствие контакта её с загрязненными донными отложениями, содержащими растворимые примеси данного вида с концентрацией С рассчитывается по формуле
СЛ_ - А [Д^ '' , (2)
Сп Н\ к
где H - средняя глубина речного потока, см; DrM - коэффициент молекулярной диффу-
2 s
зии примесей в донных грунтах (может приниматься равным 0,4 см /сут); t = -
u
время контакта воды с загрязненными донными грунтами, определяется протяженностью загрязненного участка русла S3 и средней скоростью речного потока u.
Очистка русла водотока малой и средней водности протяжённостью до 200 и 500 км соответственно необходима, если при обеспечении предельно допустимой концентрации (ПДК) на выпусках сбросных и сточных вод (включая поверхностные стоки) сумма отношений концентраций каждого из загрязняющих веществ с одинаковыми лимитирующими показателями вредности и соответствующим ПДК превышает единицу,
V Cg' >1. (3)
пдк i
Для тех случаев, когда суммарный эффект фоновой загрязненности речной воды и её вторичного загрязнения приводит к превышению ПДК
V-^- >1, (4)
ПДК1
необходимость очистки русла определяется технико-экономическим расчетом в сравнении с альтернативными вариантами уменьшения объемов сбросных вод и повышением степени их очистки.
В формуле (4): C¡ - концентрация веществ с одинаковым лимитирующим показателем вредности; С, + Coi +Cgi, где - фоновая концентрация рассматриваемой примеси, Coi - концентрация данной примеси в речной воде вследствие сброса сточных вод, Cgi - концентрация рассматриваемой примеси в речной воде вследствие вторичного загрязнения.
Для крупных водотоков (протяженность более 500 км) необходимость очистки прибрежных частей русла устанавливается на основе тех же положений, приведенных выше, но с учётом средней глубины, скорости течения и толщины загрязненного слоя отложений.
Показатели качества речной воды на загрязненном участке русла рассчитываются с использованием тех же принципиальных подходов, которые применяются для определения необходимой степени очистки сточных вод, сбрасываемых в водоток. Однако, используемые для этой цели расчетные методы должны учитывать влияние загрязненных отложений на БПК речной воды, на содержание в воде вредных и токсичных примесей и содержание растворенного в воде кислорода [2].
Значение БПК на загрязненном участке русла определяется с учетом разбавления вод, процесса самоочищения и влияния загрязненных донных отложений по следующей зависимости:
L -__d -L 10-Ул 4~4 Q Ls (5)
L • 10"^' ф } 10"^ Q 10" (5)
где Lc - БПК сбросных вод, которая должна быть обеспечена очисткой сточных
вод, уменьшением сбросного расхода либо очисткой русла, Lф - фоновое значение
БПК, L„ - нормативное значение БПК, Кф, Кс - константы скорости потребления ки-
s
слорода (фоновая и для, сбросной воды), а - коэффициент смешения, t = - время
V
контакта речной воды с загрязненными донными отложениями на расстоянии S3 от места сброса сточных вод до расчетного створа, V - средняя скорость речного потока, L3 -БПК воды вследствие контакта её с загрязненным дном. (Значения Кф, Кс и L3 определяются на основе лабораторных исследований с конкретными пробами речной и сбросной воды, а также пробами загрязненных донных отложений) [3].
Если фактическое значение БПК, равное L0, больше значения Lc, найденного по зависимости, необходима очистка сбросных вод, уменьшение их расхода либо очистка загрязненного участка русла. В тех случаях, когда наряду с очисткой русла возможно осуществление других мероприятий, улучшающих качество речной воды, задача становится альтернативной и должна решаться с учетом социальных задач на основе технико-экономического расчёта.
Кислородный режим водотока на загрязненном участке русла до его очистки определяется расходованием кислорода на окисление загрязняющих примесей, в том числе и тех, которые поступают в воду из загрязненных донных отложений [4]. Согласно разработанным в МГСУ рекомендациям, наибольший дефицит кислорода наблюдается на вторые сутки от момента сброса загрязненных вод. При средней кон-
5/2011 ВЕСТНИК
_МГСУ
станте окисления примесей К = 0,1 с учётом того, что в течение двух суток окисляется 40% примесей, допустимое значение БПК сбросных вод в этом случае может быть определено из соотношения:
+ . (6)
с 0,4 & Ф Ф 0,4 дс
В тех случаях, когда очистка сбросных вод и уменьшение их расхода не обеспечивают БПК меньше, чем Ь/с, может быть применена очистка русла от загрязненных донных отложений либо искусственная аэрация водотока. В качестве альтернативного решения возможно одновременное комплексное использование различных методов улучшения качества воды с частичной очисткой русла [4].
Выводы
1. Безразмерной характеристикой суммарного масштаба или степени воздействия центра урбанизации на водоток М может служить отношение среднего суммарного расхода сбросных и сточных вод к среднегодовому расходу водотока 95% - ной обеспеченности. При М <1 контролируемое воздействие факторов урбанизации на водоток за счёт значительных паводковых расходов сохранить его самоочистительную способность и поддержать сбалансировать экосистему близко к бытовой. При М >1 поддерживать удовлетворительное состояние водотока и сохранить экологическую систему становится более сложным и дорогостоящим делом.
2. Очистка русла водотока малой и средней водности протяжённостью до 200 и 500 км соответственно необходима, если при обеспечении предельно допустимой концентрации (ПДК) на выпусках сбросных и сточных вод (включая поверхностные стоки) сумма отношений концентраций каждого из загрязняющих веществ с одинаковыми лимитирующими показателями вредности и соответствующим ПДК превышает
единицу, у Ср >1. Ддя тех случаев, когда суммарный эффект фоновой загрязнен-ПДК,
ности речной воды и её вторичного загрязнения приводит к превышению ПДК ^ С, >1, необходимость очистки русла определяется технико-экономическим рас-ПДК,
четом в сравнении с альтернативными вариантами уменьшения объемов сбросных вод и повышением степени их очистки.
Литература:
1. Воробейчик Е.Л., Садыков О.Ф., Фарафонтов М.Г. Экологическое нормирование техногенных загрязнений наземных экосистем. Екатеринбург, Наука, 1994. 279 с.
2. Гигиенические требования к обеспечению качества атмосферного воздуха населенных мест: санитарно-эпидемиологические правила и нормативы. М.: Федеральный центр Госсанэпиднадзора Минздрава России, 2000. 23 с.
3. Гидрохимические показатели состояния окружающей среды. М.: Форум, 2011. 190 с.
4. Калинин В.П. Проблемы глобальной гидрологии. Л., Гидрометеоиздат, 1968. 376 с.
5. Хасанов A.A. Оценка и отбор инвестиционных проектов в сфере охраны окружающей среды. Автореф. дис.... канд. экон. наук. М., 2002..
Literatura:
1. Vorobeichik E.L., Sadykov O.F., Farafontov M.G. Ekologicheskoe normirovanie tehno-gennyh zagryaznenii nazemnyh ekosistem. Ekaterinburg, Nauka, 1994. 279 s.
2. Gigienicheskie trebovaniya k obespecheniyu kachestva atmosfernogo vozduha naselennyh mest: sanitarno-epidemiologicheskie pravila i normativy. M.: Federal'nyi centr Gossan-epidnadzora Minzdrava Rossii, 2000. 23 s.
3. Gidrohimicheskie pokazateli sostoyaniya okrujayuschei sredy. M.: Forum, 2011. 190 s.
4. Kalinin V.P. Problemy global'noi gidrologii. L., Gidrometeoizdat, 1968. 376 s.
5. Hasanov A. A. Ocenka i otbor investicionnyh proektov v sfere ohrany okrujayuschei sredy. Avtoref. dis.... kand. ekon. nauk. M., 2002..
Ключевые слова: охрана водных ресурсов, качество воды, антропогенная нагрузка на водные объекты, оценка экологического мониторинга.
Keywords: water resources protection, water quality, anthropogenous loading on water objects, an ecological monitoring estimation.
129337, Москва, Ярославское шоссе 26, тел.89262662801
e-mail: monzaya@mail.ru
Рецензент: доктор технических наук А.Е. Асарин
