CC BY
34
Решение проблем биосферной совместимости поселений, расположенных на морских побережьях Н.В. Земляная, В.А. Безбородое
Качество жизни и качество окружающей среды теснейшим образом связаны между собой. Концепция биосферной совместимости поселений вытекает из концепции устойчивого развития, представленной на Генеральной Ассамблее ООН в 1987 году и закрепленной в российском законодательстве.
Биосферная совместимость в узком смысле понимается как способность технологий утилизации отработанных материалов обеспечивать отсутствие повторного загрязнения окружающей среды, в широком - как такое функционирование техносферы, при котором не нарушается равновесие естественных природных процессов.
В отечественной практике для оценки степени опасности влияния антропогенных факторов на окружающую среду используют нормированные предельно допустимые уровни воздействия, показатели нормативов сбросов в водные объекты и нормативы выбросов в атмосферу. Критерием оценки экологической безопасности совокупного воздействия источников является предельно допустимые концентрации, определяемые санитарными правилами и нормами.
При решении градостроительных задач для оценки биосферной совместимости вводят интегральный показатель, который является функцией относительных параметров чистой (лишенной загрязнения) биосферы и параметров загрязнения оттехносферы с максимальными концентрациями, допускающими развитие [1].
При разработке проектов расселения параметры, характеризующие состояние окружающей среды, могут быть получены путем прогнозирования состояния природных объектов (земельных и водных ресурсов, атмосферы, животного и растительного мира).
Чаще всего конечным пунктом передвижения загрязняющих окружающую среду ингредиентов оказываются водные источники, которые аккумулируют поллютанты не только с поверхности земли, но и из атмосферы.
Предметом анализа данной статьи является разработка метода определения допустимых антропогенных нагрузок, обеспечивающих устойчивое экологическое состояние морских акваторий как аккумуляторов негативных воздействий и, следовательно, отвечающих условиям, биосферной совместимости поселений.
Постановка задачи является довольно актуальной. Необходимость определения допустимых антропогенных нагрузок, или согласно действующему законодательству-«нормативов допустимого воздействия (НДВ)», обозначена в постановлении Правительства РФ от 30.12. 2006 № 881. Методика
определения НДВ на водные объекты предложена в приказе Министерства природных ресурсов РФ от 12.12.2007 № 328.
Однако последний документ содержит перечень ограничений и набор зависимостей балансового характера, учитываемых при расчете НДВ для рек. Для водоемов, в частности морских акваторий, указания не разработаны.
Сложившаяся ситуация не случайна. В отечественной практике требования к водопользователям связаны с определением необходимого разбавления сточных вод в расчетном створе, который задается нормативно. Если для рек положение расчетного створа и разбавление в нем имеют детерминированный характер в расчетных гидрологических условиях, то морские гидрологические и гидрохимические параметры изменчивы в пространстве и времени даже для расчетного случая (минимальныеостаточныетечения). Кроме того, остаточные течения не обязательно обеспечивают наихудшие условия разбавления и самоочищения морей.
Для принятия решений и обоснованного выдвижения требований к водопользователям широко используется математическое моделирование. Довольно часто при заданном тем или иным способом поле скорости применяются: уравнения переноса и трансформации вещества (полуэмпирическое уравнение турбулентной диффузии); дифференциальные уравнения для описания трансформации и распространения нестойкой органической компоненты загрязняющих веществ; дифференциальное уравнение локальной модели утилизации минеральных компонент загрязнения [2].
В ходе системного анализа, оценки, планирования и проектирования с помощью моделирования возникает необходимость в синтезе моделей для описания конкретного явления. Основной сложностью такого синтеза являются параметризация и выделение наиболее значимых факторов. Синтетические модели применялись для вероятностного планирования аварийных нефтяных разливов [3], для прогноза выноса загрязняющих веществ из урбанизированного водосбора (на примере Ленинграда). В работе [4] для прогнозирования процессов загрязнения моря использовалась модель из двух блоков. Первый представляет собой трехмерную прогностическую модель свободной поверхности, основанную на уравнениях баланса движения, тепла и солей. Модель воспроизводила циркуляцию морской среды за период времени, доступный компьютерной оценке. Для построения второго блока использовались адвективно-диф-фузные уравнения с исходными (поисковыми) параметрами. Алгоритм притяжения скорректированных потоков позволял
приближаться к природному гидрохимическому состоянию.
Японские специалисты на примере Токийского залива разработали численный метод для комплексной оценки влияния загрязнения от всех существующих источников на экологическое состояние морских вод. В их методе используется многоуровневая модель, основанная на уравнениях динамики движения, диффузии, а также сложные модели питательных процессов и развития биоорганизмов. Сточные воды включают в круговорот воды в заливе с целью разбавления потока загрязнения и улучшения качества среды. Оценки объема загрязненных вод в рамках метода позволяют определить место очистительныхустановок, степень необходимой очистки и место сброса очищенных сточных вод [5].
В мировой практике для моделирования качества воды в морских акваториях применяются несколько подходов. Известны модели инженерного корпуса армии США (СЕ-QUAL-W2), модели QUAI.2EU, модель CARDINAL (К.А.Клеванный с соавторами) и др., которые позволяют прогнозировать нестационарные поля течений, изменения температуры, биохимического потребления кислорода, скорость эвтрофи-рования, динамику роста бактериальной массы и ряд других показателей.
В работе [б] используются уравнения Навье-Стокса для моделирования течений, уравнения турбулентной диффузии и уравнения баланса массы, позволяющие решатьтрехмерную задачу. В результате численных решений авторы получают скорости морских потоков, уровни и температуру воды, соленость и концентрации E.coli.
В наших исследованиях для определения допустимых антропогенных нагрузок использовалась компьютерная технология, диффузионные процессы в которой описывались по методу Монте-Карло [7]. Технология решения прямой задачи включала следующие блоки.
1. Модели расчета переменного поля ветровых течений, основанные на численном решении дифференциальных уравнений мелкой воды Н.Е. Вольцингера, Р.В. Пясковского и А.И. Фельзенбаума.
2. Модифицированный метод блуждающих частиц с использованием для решения диффузионных задач стохастических представлений метода Монте-Карло.
3. Модель приливно-отливных колебаний, используемая для расчета гармонической составляющей скорости.
4. Модель для описания процессов седиментации при стационарном поступлении примеси.
5. Модель для описания процессов седиментации при нестационарном поступлении примеси.
6. Модель распространения загрязняющих веществ в акваториях, покрытых льдом, учитывающая пространственно-временную изменчивость льдообразования.
Прямая задача, решенная с помощью компьютерной технологии, позволяет определить в любой точке акватории концентрации загрязняющих веществ, используемых для построения обратной задачи формирования требований
к водопользователям. В основу решения обратной задачи положены вариационные подходы. Предполагается формирование функционала, ставящего в соответствие входным параметрам (количество сбрасываемого загрязнения, длина выпуска, место сброса) возможности водоема по разбавлению и самоочищению. Система будет оптимальна при таких изменениях входных параметров, при которых последующий процесс ее функционирования будет отвечать налагаемым требованиям непревышения предельно допустимых концентраций в любой точке акватории.
Пусть в исследуемую акваторию предполагается сделать N выпусков с мощностью по загрязняющим веществам Оп., каждый выпуск имеет координаты сбросаЛ'/А У О. Максимальные концентрации будут иметь место в ячейках сброса или в иных местах слабой адвекции, положение которыхопре-деляется из предварительного расчета на любые параметры сброса сточных вод, например сточных вод, доведенных до полной биологической очистки. Для локальных областей наибольших концентраций {ОкЛ' = 1, 2...К|представляется возможным построитьуравнение регрессии, в котором откликом будет концентрация /-того вещества С.п, а факторами - Оп! х„Лг ПРИ этом количество функций отклика (в частном случае уравнений регрессии) будет определяться количеством областей повышенных концентраций. В некоторых случаях области повышенных концентраций могут совпадать с местами сброса сточных вод. Тогда по каждому веществу можно сформировать функционал для всей акватории:
Ф» = I I !сИп(дп;,хп0,ую,1,к)акЛёп (1)
о к=1 п=1
где Т- время осреднения.
Введение локальных областей оправдано тем обстоятельством, что при решении оптимизационной задачи достаточно учесть только подобласти с высокими концентрациями загрязняющих веществ.
Если теперь ограничение по норме токсикологических показателей обозначить через Фтк, то задача оптимизации системы (1) сводится к отысканию неизвестных () . л- у
4 ' ^пг пи - по
из неравенства:
ф[с,{хпо,упо,д^)]<Ф„дк г (2)
решение которого ищется при ограничении
Ь(х ..V Л . , (3)
1 пО у пих тгп > '
где £ - длина выпуска, а £ - минимальная длина выпуска, определяемая нормативными ограничениями.
В случае, если максимальные концентрации в воде водоема отвечают условиям (2) и (3), можно приступить к формированию требований к водопользователям, в противном случае следует изменить входные параметры системы.
Задачи технико-экономической оптимизации при выборе конструкции и длины выпуска не включены в процедуру оптимизации функционала (2), их целесообразно выделить в отдельный элемент, что позволит свести процедуру выбора оптимального варианта к поиску экстремума функции, показывающей зависимость, например, технико-экономических показателей от степени очистки, конструкции и длины выпуска при уже известной области его расположения, гарантирующей равновесное состояние акватории.
В случаях, когда структура предполагает сопоставительный анализ или поиск экстремумов, используется математическое моделирование как численный эксперимент, позволяющий найти и определить направление оптимума. Для этого предполагается использовать регрессионный анализ.
Допустимые параметры сброса от всех источников, получаемые в результате реализации системы определения допустимых антропогенных нагрузок, дают необходимую информацию для выработки требований к водопользователям. Взаимодействие с водопользователями может быть осуществлено в рамках обмена информацией, а взаимодействие с внешней средой - через подсистему моделирования качества воды в акватории.
Успех решения оптимизационной задачи во многом зависит от корректности процедуры описания ограничений. Набор ограничений, сформированный на основе действующего законодательства, может быть представлен следующим образом.
1. Градостроительные ограничения возникают, когда приводятся в соответствие генеральный план развития населенного пункта и бассейновый принцип построения канализационных схем.
2. Ограничения в местах водопользования вводятся при использовании морского побережья для рекреационных, лечебно-оздоровительных и хозяйственно-питьевых нужд населения.
3. Токсикологические ограничения предусмотрены как санитарными нормами, так и нормами для водоемов рыбохо-зяйственногозначения и представлены предельнодопустимы-
Рис. 1. Значения функционала по БПК5, мг/л, в наиболее загрязненных областях акватории: 1 - район Де Фриза, 2 - район Второй Речки, 3 - линия ПДК
ми концентрациями загрязняющих веществ в воде водоемов разного вида водопользования.
Использование сведений, обозначенных в вышеприведенных пунктах, и поля концентраций загрязняющих веществ, полученного в результате решения прямой задачи, позволяет учесть ряд ограничений на первом этапе моделирования. Так, места сброса сточных вод связываются с местоположением очистных сооружений по градостроительному плану, длина выпуска и степень очистки техногенных сбросов в зонах водопользования определяются санитарными правилами и нормами, а результаты прогнозирования показывают области стагнации, в которых происходят накопление загрязняющих веществ и аккумуляция их на дне акватории. Такие зоны, как правило,формируются полем суммарныхтечений, и расположение в них выпусков сточных вод недопустимо.
Сведения об ограничениях и сопутствующий им анализ приведены здесь для того, чтобы показать, что моделированию должен предшествовать процесс предварительного выбора места сброса сточных вод (хозяйственно-бытовых, дождевых и поступающих со стоком рек).
В случае, если предварительный анализ был удачным, в качестве ограничений могут выступать только токсикологические показатели. Однако в общем случае разработанная на предлагаемом уровне технология не позволяет оптимизировать место сброса сточных вод. Эту проблему целесообразно решать перебором нескольких вариантов их расположения.
Разработанная технология была использована для определения допустимых антропогенных нагрузок на акваторию Амурского залива, который по генеральному плану развития города должен принимать стоки очистных сооружений Второй Речки, полуострова Де Фриз и Фанзавода. Длина выпусков задавалась в краевыхусловиях, расчет начинался от начальных условий полной биологической очистки (БПКп= 15 мг/л).
Решение задачи в графическом виде показано на рис.1. По оси ординат функционал Ф отражает превышение значений концентрации по органическим веществам, идентифицируемым БПК5(БПК5-биохимическое потребление кислорода за пять дней), над фоновыми. Для Амурского залива фоновая концентрация составляет 2,01 мг/л.
Алгоритм решения включал определенную последовательность операций. Вначале выполнялось прогнозирование распространения загрязняющих веществ при помощи программных модулей, перечисленных выше. По результатам прогноза определялись наиболее загрязненные области залива, которые в данном конкретном случае не совпадали с местами сброса сточных вод. Далее выполнялись численные эксперименты, позволяющие построить зависимость концентрации загрязняющих веществ в наиболее загрязненной области от показателей (концентраций) сточных вод. На рис.1 результаты численных экспериментов показаны точками, по которым построены графические зависимости. В частном случае эти зависимости оказались прямыми линиями в связи со слабыми проявлениями нелинейных эффектов
неконсервативности в выделенных для анализа областях. Горизонтальная линия на рисунке показывает ограничение функционала, которое является допустимым превышением в водоеме концентраций по БПК5.
Согласно расчетам, Амурский залив допускает сброс сточных вод в указанных точках при превышении концентрации по БПК5 сточной жидкости над фоновой для первого выпуска меньше 7,6 мг/л, для второго - меньше 8,8 мг/л. С учетом фоновой концентрации сточные воды должны быть очищены соответственно до 9,61 и 10,81 мг/л. По аналогичной схеме могут быть рассчитаны допустимые концентрации сточных вод по всем ингредиентам сбрасываемого стока.
Разработанная процедура использования программных модулей для решения обратной задачи определения допустимых сбросов позволяет включать в исходные данные и распределенные по побережью дождевые стоки. Результаты реализации модельной задачи с учетом сбросов дождевых стоков показали, что требования по органическим веществам не изменились (залив имеет достаточную способность к самоочищению органики), однако для минеральных компонент расчеты выставили условие отсутствия в сбросах оседающих взвешенных веществ.
Таким образом, разработанная процедура решения обратных задач позволяет получить конкретные рекомендации по показателям очистки техногенных сбросов в акватории, в том числе и для дождевых стоков, отражающих состояние городскихтерриторий и загрязнение атмосферного воздуха.
В дальнейших исследованиях, на наш взгляд, целесообразно найти количественные связи между загрязнением вод акватории и загрязнением атмосферного воздуха.
Литература
1. Ильичев В.А. Методика прогнозирования показателей биосферной совместимости / В.А.Ильичев, В.И.Колчунов, В.А.Гордон // Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. 2010. №2. С. 52-57.
2. Моделирование процессов самоочищения вод шель-фовой зоны моря / Под ред. В.И.Заца, Г.А.Гольдбегра. Л.: Гидрометиоиздат, 1991.
3. Jedrasik J., Kowalewski M. Transport Model of Pollutants in the Gulf of Gdansk // Marine Pollution, Stadia i Matererialy Oceanologiczne. 1993. № 64. S. 61-75.
4. Price A. R. G. The Scientific and Human (Sicles of Coastal Governance: Regional Profile of West Asia and North Africa) // Marine Pollution Bulletin. 1996. V.32. Issue 12. P. 838-845.
5. Koike T., KakoT. Numerical Simulation of Water Purification Process in the Closed Water Area // Kawasaki Steel Tech nical Report. 1996. № 33. P. 52-59.
6. Kojima K., Furumai H., Hata A., Kasuga I., Kurisu F. and Katayama H. Monitoring and Numerical Simulation of Pathogenic Pollution after CSO Event in Coastal Waters of Tokyo Bay// Report of 12th International Conference on Urban Drainage. Porto Ale g re/Brazil, 2011. P. 1-8.
7. Земляная H.B. Долгосрочный прогноз качества воды в морских акваториях/ Н.В.Земляная, В.И.Ляхов // Водные ресурсы. 2003. Т.30. № 4. С. 485-492.
Literatura
1. Ilichev, V.A. Methodika prognozirovaniya pokazateley bios-fernoy sovmestimosti/V.A. Ilichev, V.I. Kolchunov, V.A. Gordon// Seysmostoykoe stroitelstvo. Bezopasnost sooruzheniy. 2010. №2.S. 52-57.
2. Modelirovanie processov samoochisheniya vod shelfovoy zony morya/Pod red. V.I. Zaca, G.A. Goldberga. L.: Gidrome-tioizdat, 1991.
7. Zemlyanaya N.V. Dolgosrochny prognoz kachestva vody v morskich akvatoriyah/N.V. Zemlynaya, V.I. Lyahov// Vodnye resursy. 2003. T. 30. №4. S. 485-492.
The Decision of Biospheric Compatibility Problems of
the Habitation Located at Seacoasts. By N.V.Zemlyanaya,
V.A.Bezborodov
Sea water accumulates all the anthropogenic pollution, generated by the modern city. The ecological status of water reflects the condition of atmosphere and the level of beautification in different areas of the city. The article offers direct methods of forecasting the quality of water in shallow seas. For solving the inverse problem of water ecology the results of forecasting, which form the functional of water area condition, are used. Optimization of this functional within certain limits makes it possible to solve the inverse problem of defining the requirements for the water consumers.
Ключевые слова: биосферная совместимость, допустимые антропогенные нагрузки, морская акватория, имитационное моделирование.
Key words: biospheric compatibility, permissible anthropogenic loading, marine environment, imitation modelling.
