Оптимизация техногенной нагрузки на природнотехнические системы инфильтрационных водозаборов подземных вод с учетом данных эксплуатации Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

4/2011 ВЕСТНИК _7/202J_МГСУ

оптимизация техногенной нагрузки на прнродно-технические системы инфильтрационных

водозаборов подземных вод с учетом данных

эксплуатации

OPTIMIZATION OF TECHNOGENIC LOADING ON NATURE-TECHNICAL SYSTEMS INFILTRATSION OF WATER INTAKES OF UNDERGROUND WATERS TAKING INTO ACCOUNT THE

OPERATION DATA

С. А. Жуков

S. A. Zhukov

ВГАСУ

Приводятся результаты исследований no структурной идентификации с целью изучения процессов массопереноса загрязняющих компонентов подземных в системе инфильтрационного водозабора г. Воронежа для оптимизации техногенной нагрузки.

Results of researches on structural identification for the purpose of studying of processes massconduction polluting components underground in system infiltration a water intake of Voronezh for optimization of technogenic loading are resulted.

Результаты проведенных исследований по изучению геоэкологических особенностей эксплуатации Воронежского водохранилища и процессов массопереноса загрязняющих компонентов в подземных водах [1] позволили определить мероприятия по оптимизации техногенной нагрузки на природно-техническую систему (ПТС) водозабора подземных вод (ВПВ) №11 г.Воронежа (рис.1).

На стадии изучения особенностей атмосферного переноса загрязняющих компонентов было установлено, что граница тумана может быть оценена высотой в 15 м. Наличие в охранной зоне ВПВ №11 автомобильного моста (рис.1) дороги первой категории с интенсивностью движения до 35200 авт/сут и особенности установившейся конвективной циркуляции потребовали для снижения загрязнения атмосферы и поверхностного стока с моста применить специальные конструкции (экраны) высотой 3 м и длиной ограждения на подходах к мостовому сооружению 18 мот начала и конца сооружения с отводом воды через водоотводные трубки в два ряда диаметром 60 мм в водоприемную сеть с использованием закрытых лотков для отвода воды от водоотводных трубок за пределы конструкций моста.

Исследования по математическому моделированию процессов массопереноса загрязняющих компонентов подземных вод на основе метода группового учета аргументом на базе класса структур вида

ВЕСТНИК МГСУ

4/2011

Рис.1. Схема расположение ПТС ВПВ №11 г.Воронежа

5с 51

, 2 V-к

О с

дх2

+ а.

✓ 2 V-к

5 с

5 у2

+ а.

/ V - к

' 5с 5 х

+ а.

/ V - к

'5с 5 у

(1)

+ а 5 ^^ 1 + а 6 ^^ 2 ^ а 7 ^^ 3 + а ^ ^^ 4 + а 9 ^^ 5 + а ^ ^^ ^ ^ а 1

где: с - концентрация ионов загрязняющего компонента (например, железа или марганца) в подземных водах (прогнозируемая переменная в мг/л); а1 - а4 - соответствующие коэффициенты при производных; 1 - время; х, у - пространственные координаты; к - запаздывание по времени, к = 1, 2, 3; ¥ 1 - водоотбор в тыс.м3/сут; ¥ 2 - температура воздуха в С0; ¥ 3 - осадки в мм; ¥ 4 - рН поверхностных вод; ¥ 5 - содержание 02 в поверхностных водах водохранилища мг/л; ¥ 6 - содержание ионов хлора в поверхностных водах водохранилища мг/л; а5 - а10 - соответствующие коэффициенты при ¥ 1 - ¥ 6; ап - свободный член, и соответственно (1), конечно-разностный вид

= си + а * ( с'+и" 2с1] + си1 ) + а 2 ( с'+и - 2с1}' + 4-7, ] ) +

(2)

, * г 1-2 о I-2 . I-2 ч , * ✓ 1 г, I , I ч ,

+ а 3 ( С1+у- 2с„ + сн>; ) + а 4 ( Су-! - 2 с. ; + с. ;+1 ) +

I-1

1

I-2

■ч 1+1

I-2

I * / 1-1 г, I-1 , I-1 ч , * / 1-2 г, I-2 , I-2 ч

+ а 5 ( си-1 - 2 си + си+1 ) + а 6 ( си-1 - 2 си + си+1 ) + , * I 1 1 ч , * г 1-1 1-1 ч , * I 1-2 1-2 ч , * / 1 I ч ,

+ а 7 ( С>+и" с>-у ) + а * ( сну" )+ а 9 ( С>+и" с>-и ) + а 10 ( Си+1" Сг,;-1 ) +

+ а П ( СУ+1_ Сг,у-1 )+ а*2 ( с\}_1 ) + а*3 ¥1 + а*4 ¥ 1 1 + а*5 ¥ 1 2 + а*б ^ 2 +

+ а*72 ^ а*82 ^ а*93 + а203 ^ а21 3 ^ а224 ^ а23 4 ^ а244 ^ + а25 ¥5 + а26 ^51 + а27 ^5 2 + а28 ^6 + а29 ^61 + а30^6 2 +а31

= а

4./2011 ВЕСТНИК _4/20|Т_МГСУ

и данных режимных наблюдений за период 1998-2007 гг. позволили определить модели процессов массопереноса основных загрязняющих компонентов подземных вод -ионов железа и марганца (3-10) [2].

Железо ПТС ВПВ №11 в целом

Су1 = с^ +0,151 (<£ —2с!// + )-0,000021 ^¡-1+0,071 ¥2-2+ 0,1 ^5+ 1,82. (3)

Подсистема № 1

су = с''! - 0,83 (с^-с^ ) +4,63 (с^-с^ )+0,00008 Т!-1+0,1 Т6-12,2. (4)

Подсистема №2

с. = с'-1 + 0,0077 (с'Д- с/Д ) + 0,000031 ^ + 0,407 ¥4-1- 6,914. (5)

Подсистема №3

с,;;1 = с'г! - 1,06 (4,>г 2<, + с'_1:,) + 0,84 (<:-2 - 22 + , ) + (6)

+ 0,64 ( С^- С^ ) +0,37 ( , ) -0,00057 -

- 1,16 ¥ 2-1 - 6,41 Т 4-1 + 126,5.

Марганец ПТС ВПВ №11 в целом

Ч+1 = си +0,071 ( ) - 0,000049 ¥;-1+ (7)

+ 0,008 ¥ 3 - 0,129 ¥ 4-1 - 0,011 ¥ 6+ 6,857. Подсистема № 1

с. - с£ + 0,392 ( - 2 с;,}1 + , ) - 1,527 ( с^- с^- ) +

+ 0,000003 ¥ ;-1 - 0,242. (8)

Подсистема №2

;+1 г-1 ____, ; ~ г , г ч ___/ „;-2 о „г -2, „г -2

<Г = с+ 0,051 (с<+1;- 2<, + ) + 0,131 (с— - 2 <-2 + <-) - (9)

- 0,291 ( СуД- с;,-/21 ) - 0,000003 ¥;-1 + 0,002 ¥3 - 0,002 ¥6 + 0,31.

Подсистема №3

= си + 0,8 ( с!+1Г 2с'и + с;_1>! ) + 1,35 ( с^-2</ + с';;,,. ) - (10)

- 1,53 ( 4//-2с;,}2 + с^ ) - 2,18 ( с^- с^ ) - 0,87 ( е. - сГ,,_1 ) +

/ „;-1 „г-1 \ . , .

+ 0,958 ( С; ^- Си,_1 ) - 0,000034 ¥;-1 - 0,04 ¥6 + 5,54.

Результаты проведенных исследований по идентификации моделей массопереноса загрязняющих компонентов подземных вод позволяют сделать вывод о наличии источника загрязнения непосредственно в зоне депрессионной воронки - погребенные пойменные отложения р. Воронеж. Для географически ближе расположенных к урезу водохранилища подсистем (вторая подсистема) возможна миграция ионов железа и марганца за счет инфильтрации поверхностных вод из водохранилища. Следует отметить отсутствие (у моделей второй и третьей подсистем), либо незначительное запаздывание (-1) параметра водоотбора (¥;) у модели первой подсистемы, что может сви-

ВЕСТНИК МГСУ

4/2011

детельствовать о нахождении источника загрязнения непосредственно в районе де-прессионной воронки.

Анализ фактических данных показал, что при водоотборе в диапазоне 110-115 тыс.м3/сут концентрация ионов железа и марганца минимальна, а при увеличении во-доотбора до 125 тыс.м3/сут отмечаются максимальные концентрации, причем с запаздыванием (-1). Эти особенности процесса массопереноса загрязняющих компонентов подземных вод, по-видимому, также можно объяснить тем, что основной источник -погребенные пойменные отложения р. Воронеж, а при увеличении водоотбора - увеличивается депрессионная воронка и, привлекаются загрязненные инфильтрационные подземные воды (за счет донных отложений) из зоны Воронежского водохранилища.

С учетом выявленных особенностей массопереноса ионов марганца в ПТС ВПВ №11 рекомендуется при расширении системы ВПВ создать открытые инфильтрационные сооружения (два бассейна шириной по дну 20 м, длиной 300 метров и глубиной до вскрытия неоген-четвертичного водоносного комплекса (3 - 4 м)) для пополнения запасов грунтовых вод на расстоянии 150-200 метров от уреза водохранилища с размещением 12 эксплуатационных скважин (рис.2).

>т .швииг ОЫЯК 01ПНГН

О - '.ЬХИ Р1ЦИ1Р0Ь« (-ЫЦР

Г

ж » - Им рНкшмл- М

■1" о «

г «г а

' ° * I Л О

/ * ш/.

* Мг 1

_ 1« Г» *

* 6 о V

^ 1 •

4

I

г ,

Ш 0

/

- &

г Я

О

»

» » ^ • -8 5

* * N

ВОРОНЕЖСКОЕ ВОДОХРАНИЛИЩЕ

Рис.2. Схема расположения проектируемых инфильтрационных бассейнов и ЭС

в ПТС ВПВ № 11

4/2011 ВЕСТНИК _4/2011_МГСУ

Реализация этого проекта обеспечит как качество питьевой воды (удаленность от водохранилища и погребенных пойменных отложений), так и значительное (до 36 тыс.м3 /сут) увеличение ее добычи. В качестве источника искусственного пополнения запасов подземных вод предлагается использовать поверхностные воды водохранилища, которые по качеству соответствуют СанПиН 2.1.4.559-96 "Питьевая вода", за исключением возможного отклонения по отдельным микробиологическим и паразитоло-гическим показателям и органолептическим свойствам в жаркое время года.

Предложенное техническое решение позволит не только увеличить производительность ВПВ №11 до проектной мощности:

> основной участок - 115 тыс.м3/сут;

> участок с инфильтрационными сооружениями - 36 тыс.м3/сут,

обеспечив щадящие режимы эксплуатации, с возможностью маневрирования ресурсами водозабора (плановые эксплуатационные остановки для технического обслуживания без остановки всего ВПВ), что существенно снижается риски возникновения аварийных ситуаций в системе водоснабжения города, но и улучшить качество подаваемой потребителю воды.

В экономическом плане стоимость реализации проекта расширения ВПВ №11 за счет инфильтрационных сооружений составит в десять раз меньшую величину, чем при сооружении островных участков водозабора, причем без учета стоимости самого намыва.

Литература

1. Жуков, С.А. Природно-технические системы. / С.А.Жуков, B.C. Стародубцев. - Воронеж, Вор.гос.ун-т, 2009. - 143 с. - (Гидросфера городов).

2. Жуков, С.А. Моделирование процессов массопереноса загрязняющих компонентов подземных вод / С.А.Жуков, B.C. Стародубцев // Экология и промышленность России, № 7., 2008. - С.24 - 27.

References

1. Zhukov, S.A. Nature-technical systems. / S.A.Zhukov, V.S.Starodubtsev. - Voronezh, Vor.gov.un-ty, 2009. - 143 p. - (Hydrosphere of cities).

2. Zhukov S.A. Modelling of processes of dispersion polluting components of underground waters / S.A.Zhukov V. S. Starodubtsev// Ecology and the industry of Russia. - 2008. - Rel. 7.-P.24-27.

Ключевые слова: математическое моделирование, метод группового учета аргументов, водозабор подземных вод, массоперенос, загрязняющие компоненты, водоотбор.

Keywords: mathematical modeling, a method of the group account of arguments, a water intake of underground waters, massconduction, polluting components, water selection.

E-mail star@geol.vsu.ru

Рецензент профессор д.т.н. Потапов А.Д. МГСУ каф.ИГиГЭ