ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. Водные объекты подвержены загрязнению хозяйственно-бытовыми, промышленными и поверхностными сточными водами. Если основная часть хозяйственно-бытовых и промышленных сточных вод проходит очистку перед их выпуском в водный объект, то поверхностные сточные воды в основном сбрасываются без очистки. Входящие в состав дождевых и талых вод загрязнения нередко приводят водные объекты в состояние, непригодное для использования в хозяйственно-бытовых и рыбохозяйственных целях.
Существуют различные способы защиты водных объектов от загрязнения поверхностными сточными водами. Однако выбор из их числа наиболее приемлемого варианта затруднен в связи со сложностью выполнения всесторонней оценки эффективности. Это связано с тем, что очистные сооружения проектируются для очистки расхода сточных вод редкой повторяемости с постоянными концентрациями загрязняющих веществ, но почти все время они работают со значительно меньшей нагрузкой. В связи с этим актуальной является задача разработка новых подходов к обоснованию состава мероприятий по охране водных объектов от загрязнения поверхностным стоком и соответствующих методик, обеспечивающих повышение их экономической эффективности.
На актуальность данного направления исследований указывается в «Основных направлениях развития водохозяйственного комплекса России до 2010 года», утвержденных распоряжением Правительства РФ от 31 мая 2004 г. № 742-р. В них говорится, что строительство систем и сооружений для сбора и очистки ливневого стока с территорий поселений и предприятий, снижение загрязнения водных объектов через поверхность земли и воздух, является одним из приоритетных направлений.
Идея работы заключается в возможности выбора оптимальных параметров мероприятий по защите водных объектов от загрязнения поверхностным стоком за счет моделирования многолетних рядов «выпадение осадков - формирование стока - очистка стока - загрязнение водоприемника».
Цель и задачи работы. Целью работы является разработка методики планирования мероприятий по защите водных объектов от загрязнения поверхностным стоком с урбанизированных территорий с учетом высокой неравномерности формирования его качественных и количественных характеристик.
Для достижения указанной цели необходимо было решить следующие задачи:
- провести натурные исследования и оценить качественные и количественные характеристики дождевых вод с урбанизированной территории;
- выявить существование закономерностей формирования качественного состава поверхностного стока;
- разработать методику и математическую модель выбора оптимальных параметров мероприятий по защите водных объектов от загрязнения поверхностным стоком с урбанизированных территорий;
- произвести апробацию разработанной методики на примере конкретного водосбора и оценить ее экономическую эффективность.
Объектом исследования является дождевой сток с центральной части г. Читы.
Предмет исследования - проблема снижения загрязнения водных объектов стоком с урбанизированных территорий.
Методика исследований заключалась в определении качественного состава дождевого стока и его гидрологических характеристик, использовании методов регрессионного анализа для установления
закономерностей между ними, математическом моделировании процесса формирования дождевого стока и его очистки. Научная новизна:
- впервые на основании исследований дождевого стока с территории г. Читы установлено наличие двух фаз формирования его качественного состава и дано объяснение данного явления;
- впервые показана принципиальная возможность установления зависимостей концентрации ингредиентов от расхода в замыкающем створе локального водосбора для второй фазы формирования стока;
- предложен новый подход к определению параметров мероприятий по защите от загрязнения поверхностным стоком, направленный на получение максимального эколого-экономического эффекта;
- разработана математическая модель, реализующая предложенный подход на примере очистки дождевого стока от взвешенных веществ;
- на примере модельного водосбора продемонстрирована работоспособность математической модели и показана эффективность ее применения в зависимости от ставок платы за загрязнение.
Научные положения, выносимые на защиту:
- качество дождевого стока с урбанизированных территорий со сложным рельефом значительно отличается от аналогичных показателей качества поверхностного стока с равнинных территорий;
- формирование качественного состава дождевого стока проходит две фазы, при этом во второй фазе концентрации ингредиентов зависят от расхода в замыкающем створе локального водосбора;
- учет закономерностей изменения качественного состава дождевого стока с урбанизированных территорий при планировании мероприятий по защите водных объектов позволяет значительно повысить их эколого-экономическую эффективность.
Практическая значимость. Установленная в процессе исследований возможность установления закономерностей формирования качества дождевого стока позволяет более рационально назначать состав водоохранных мероприятий и их параметров. Основные положения исследований были учтены при разработке «Комплексной схемы восстановления и охраны р. Чита и предотвращение чрезвычайных ситуаций (в пределах г. Читы)». Результаты работы используются в учебном курсе ЧитГУ «Инженерные системы водоснабжения и водоотведения». Разработанная методика может применяться специалистами при разработке проектов очистки поверхностного стока с урбанизированных территорий.
Достоверность результатов исследований подтверждается продолжительными наблюдениями за дождевым стоком, определением его качественного состава аттестованной лабораторией, использованием стандартных методов статистической обработки экспериментальных данных, соответствием основных результатов математического моделирования на. примере конкретного водосбора идее, положенной в основу исследований, апробацией предложенной методики на различных конференциях.
Личный вклад автора состоит:
- в постановке целей и задач работы;
- в разработке программы натурных исследований, ее реализации и обобщении результатов;
- в выявлении зависимостей между качественными и количественными характеристиками поверхностного стока;
- в разработке методики выбора оптимальных параметров мероприятий по защите водных объектов от загрязнения поверхностным стоком с урбанизированных территорий;
- в апробации предложенной методики на примере конкретного водосбора.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международной конференции «Проблемы прогнозирования в современном мире» (Чита, 1999 г.), Международных симпозиумах «Чистая вода России - 2001, 2003» (Екатеринбург, 2001, 2003), V международной конференции «Акватерра - 2002» (Санкт-Петербург, 2002), научно - практической конференции «Природные ресурсы Забайкалья и проблемы природопользования» (г. Чита, 2001 г.), ежегодных научно-технических конференциях ЧитГУ в 1998-2003 г. По результатам исследования опубликовано 8 печатных работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений. Общий объем работы 105 страниц, в том числе 33 рисунка, 12 таблиц. Список литературы содержит 106 наименований.
1 СТОК С УРБАНИЗИРОВАННЫХ ТЕРРИТОРИЙ И ЕГО ВОЗДЕЙСТВИЕ НА ВОДНЫЕ ОБЪЕКТЫ
1.1 Проблема загрязнения водных объектов
В результате хозяйственной деятельности, природных явлений происходит изменение природной среды, количественное и качественное преобразование ее компонентов. Вредные вещества, поступая в какую-либо из сфер (атмосферу, литосферу, гидросферу), вызывают в ней качественные изменения и могут передвигаться между сферами. Чаще всего конечным пунктом передвижения вредных веществ оказываются водные источники, которые аккумулируют поступающие вещества в донных отложениях, транспортируя их по руслам рек [79].
В поверхностные водные объекты России сбрасывается основная часть сточных вод, образующихся в народном хозяйстве РФ - 96,5%; в подземные горизонты - 0,2% ; на поля фильтрации, накопители, КДС и т.д. - 3,3% (по состоянию на 2002 г.). За период с 1998 г. по 2002 г. существенно сократилось количество стоков, сбрасываемых в подземные горизонты (на 727 млн. м3, или на 83%) [.
За 1998 - 2002 г.г. суммарное количество отводимых вод сократилось на 18,1%, сброс загрязненных вод за этот период сократился на 12%. Для 1999 г. эти величины относительно 1998 г. составляли соответственно 2% и 10%. В 1997 г. впервые за последнее время водоотведение в поверхностные водные объекты возросло на 366 млн. м3 (0,7%), загрязненных вод - на 2,8% . Анализ гидрохимической обстановки основных рек РФ показывает, что наиболее распространенными загрязняющими веществами являются нефтепродукты, легко окисляемые органические вещества, соединения тяжелых металлов (меди, цинка, железа), аммонийный, нитритный, нитратный азот, фенолы, а также такие специфические вещества, как ксантогенаты, формальдегид, лигнин и др.
8
По качеству воды большинство крупных рек оцениваются как "загрязненные", их притоки - "сильнозагрязненные" [13, 14].
Не является исключением и Читинская область, где основной функцией рек является прием сточных вод и содержащихся в них веществ. В связи с тем, что поверхностные воды практически не используются для хозяйственно-питьевого водоснабжения, то их качество никогда особенно не беспокоило руководство области и муниципальных образований. Тем более, что статистика использования водных ресурсов свидетельствует о незначительном объеме сточных вод, сбрасываемых в водные объекты. В целом по области объем сточных вод, имеющих загрязняющие вещества, составляют лишь 0,18% среднегодового объема стока рек, а по бассейнам: Амурскому - 0,36%, Байкальскому - 0,24%, Ленскому - 0,005%. Таким образом, даже в самом освоенном Амурском бассейне в средний по водности год обеспечивается почти трехсоткратное разбавление сточных вод [41].
В то же время, подавляющее большинство рек области характеризуют- • ся как умеренно-загрязненные, загрязненные и грязные. При этом сокращение сбросов сточных вод и загрязняющих веществ последних лет не привело к улучшению качества воды [20].
Высокий уровень загрязнения водных объектов области объясняется тем, что основная масса загрязняющих веществ поступает в водные объекты эрозионным и диффузионным путями с участков водосборов, используемых в хозяйственной деятельности. При лесозаготовках в области теряется более 25% древесины, а зачастую предприятия берут лишь лучшую часть лесосырьевых ресурсов. Тяжелая техника при лесозаготовках разрушает почвенный покров, регулярны проливы нефтепродуктов при заправках. Горными и другими работами в области нарушено 21,1 тыс. га, отвалами и хвостохранилищами занято более 3 тыс. га земель. В результате образовались обширные искусственные геохимические провинции, определяющие качественный состав поверхностного и грунтового стока. Наибольшее
загрязнение несут поверхностные сточные воды с территорий городов области [37].
1.2 Загрязнение водных объектов поверхностными сточными водами
Источниками загрязнения водных объектов являются:
- поверхностный сток с урбанизированных территорий;
- хозяйственно-бытовые сточные воды;
- промышленные сточные воды;
- загрязнение через подземные воды;
- естественно-природное загрязнение;
- загрязнение водных источников через атмосферу;
- загрязнение водных источников через земельные ресурсы;
- патогенное загрязнение источников;
- загрязнение источников в чрезвычайных ситуациях [9].
Наиболее хорошо изученной является проблема загрязнения поверхностных источников хозяйственно-бытовыми и промышленными сточными водами [39, 40, 42]. Для защиты от их воздействия разработано множество различных способов, основанных на анализе фазово-дисперсного состояния примесей. Очистка хозяйственно-бытовых и производственных сточных вод осуществляется: механическими (отстаивание, фильтрование, флотация), физико-химическими (нейтрализация, окисление,
коагулирование, адсорбция, ионный обмен) и биологическими методами [47, 48].
Защита водных объектов от загрязнения поверхностными сточными водами представляет значительные трудности. При этом следует учитывать различия в условиях формирования поверхностного стока с сельскохозяйственных земель и селитебных территорий.
10
Изучением закономерностей формирования поверхностных сточных вод и их воздействия на водные объекты занимались многие отечественные и зарубежные исследователи: Бефани А.Н., Вишневский А.Ф., Попова К.И., Курганов A.M., Дикаревский B.C., Правошинский Н.А., Sharpley, Hynes и др. [6, 11,57,23,60, 103, 100].
При определении массы загрязняющих веществ на водотоки одним из основных подходов является создание различных прогностических моделей, описывающих поведение загрязняющих веществ в пределах водосборов с количественной оценкой их поступления в водные объекты. Все разработанные модели отличаются друг от друга структурой и целями исследований, входными и выходными характеристиками, степенью универсальности по отношению к вводимой информации и используемым в них показателям. В общем виде указанные математические модели можно разбить на два основных класса: статистические и детерминированные [68].
К первому классу относятся модели, разработанные на основе корреляционного анализа между количеством смытого вещества и такими показателями, как водный сток, эрозионный смыв, содержание химических веществ в почве, виды землепользования на водосборе и т. д. [10, 12, 58, 92, 93, 94].
К статистическому классу моделей можно также отнести и те упрощенные разработки, которые используются для обобщенной оценки выноса БВ, так как они основаны на учете усредненных показателей, получаемых при обработке статистической информации.
Второй класс, класс детерминированных моделей, включает три группы: концептуальные, балансовые и физико-математические модели [95, 96, 101, 105]. В настоящее время наиболее широко представлена концептуальная группа моделей. Эти модели состоят из ряда математических зависимостей, которые аппроксимируют реальные процессы, происходящие в природе и не используют случайные компоненты. Они различаются по
11
своей структуре, математическому аппарату, имеют разные временной интервал и конечные цели.
Анализ существующих подходов к определению выноса загрязняющих веществ в водные объекты показывает, что рассмотренные модели не могут быть использованы для прогнозирования и оптимизации загрязнения вод на этапе проектирования, так как для этих целей необходимы общие данные об экологическом состоянии изучаемых систем, получаемые на основе укрупненных показателей как во времени (месяц, сезон, год), так и в пространстве (крупные водосборы, замыкающие створы водотоков); при этом применяемые модели и методики должны быть ориентированы на объем информации, которая может быть получена проектными организациями без дополнительных исследований, особенно полевых. В то время как модели, представленные в [10, 95, 105 и др.], основываются на большом объеме натурных данных (начальная концентрация вещества в стоке, интенсивность поверхностного стока, концентрация вещества в потоке, количество биогенных веществ в пахотном слое почвы, слой поверхностного стока за расчетный интервал времени, глубина пахотного слоя, его активная зона, полная влагоемкость почвы и т. д.), что ведет к удорожанию проектных работ и невозможности проведения исследований в пределах крупных водосборов, а модели дают лишь схематичное представление о процессе формирования массы загрязняющих веществ и ее динамике.
Поверхностный сток с территорий городов, промышленных площадок предприятий, дорог, сельскохозяйственных угодий является одним из основных источников загрязнения водных объектов. Ливневые, талые, поливочно-моечные воды, собирая на своем пути растворенные вещества, формируя твердый сток, получая бактериальное загрязнение, нефтепродукты, стекают по естественному рельефу местности в источники, пополняя их запасы и одновременно существенно их загрязняя [53, 84].
12
Качество стока с различных частей территории города неодинаково и зависит от степени благоустройства, плотности населения, интенсивности движения транспорта, характера предприятий, продолжительности и интенсивности дождей и других факторов. К дождевому стоку также добавляется поливочно-моечные сточные воды.
Этот сток содержит в своем составе, в основном, взвешенные, а также растворенные минеральные и органические примеси, концентрация которых определяется многими факторами. Вынос взвеси поверхностным стоком с селитебной зоны города может колебаться в широких пределах и зависит, прежде всего, от рода и состояния дорожных покрытий, доли площадей с открытым эродирующим грунтом, уровня организации и применяемой технологии уборки городских покрытий, удаления бытового мусора и ряда других факторов [4].
Поверхностный сток, особенно дождевые воды, характеризуются резкой неравномерностью расходов. В сравнительно короткий промежуток времени расход и объем дождевых вод резко возрастают и могут в десятки и сотни раз превышать расход хозяйственно-бытовых сточных вод с той же территории. Поэтому в течение года с дождевыми водами в водоем поступает взвешенных веществ и нефтепродуктов больше, чем с неочищенными сточными водами [30]. Высокие концентрации загрязнений, содержащихся в поверхностных стоках, приводят к загрязнению водных объектов, заиливанию их дна в зоне выпуска стока. В осевшем осадке протекают процессы разложения органических веществ, вследствие чего возникает вторичное загрязнение поверхностных вод, создается дефицит кислорода, что приводит к нарушению экологического равновесия водных объектов[72].
Кроме того, поверхностный сток несет в себе значительное бактериальное загрязнение, интенсивность которого в ряде случаев приближается к микробному загрязнению хозяйственно-бытовых сточных
о
вод (коли - индекс достигает 5-10 ). Это свидетельствует о потенциальной
13
эпидемиологической опасности и обуславливает необходимость не только очистки, но и обеззараживания сбрасываемой воды.
Поверхностный сток с городских территорий является существенным источником химического и биологического загрязнения открытых водоемов, и в первую очередь малых рек, расположенных в пределах городов. Основными источниками химического загрязнения поверхностного стока являются продукты разрушения дорожных покрытий, атмосферные загрязнения от промышленных производств, отопительных систем, двигателей внутреннего сгорания транспортных средств. Что касается микробного загрязнения уличных стоков, то оно тесно связано с состоянием канализования населенных пунктов. Ознакомление с общей практикой канализования городов свидетельствует о том, что не все здания жилого фонда оборудованы канализацией; в отдельных городах и поселках городского типа отсутствует централизованное водоотведение. На фоне возрастающей пропускной способности городских канализаций и протяженности уличных канализационных сетей и коллекторов имеет место плохое санитарно-техническое состояние существующих канализационных сетей, приводящих к аварийным ситуациям. Такое положение с канализованием городов определяет заметное отставание удельного водоотведения от водопотребления. Атмосферный дождь, собранный на высоте 1 м от почвы, содержит в 1 мл до 1000 микроорганизмов. Показатель коли-титра в дождевом стоке, собранном с крыш - 0,004; с дорожных покрытий - 0,0004 [44].
Из основных элементов, составляющих поверхностный сток, в гигиеническом отношении заслуживают внимание талые воды, особенно стоки зимних оттепелей и в начале весеннего снеготаяния. В этих водах содержится наиболее высокие концентрации органических и минеральных примесей (ХПК до 1500, БПК до 300 мг О2/л). Органические примеси составляют основную часть твердой фазы стока, что обуславливает прямую
14
зависимость между значениями показателя ХПК воды и содержанием взвешенных веществ.
В настоящее время установлено, что в стоках с взвесью процессы биохимического окисления протекают значительно медленнее, чем в профильтрованных пробах. В этой связи в практике санитарной охраны водоемов следует ожидать отрицательного влияния взвеси поверхностного стока на процессы естественного самоочищения водоемов от органических загрязнений. Неблагоприятным является факт содержания в поверхностном стоке мелкодисперсных частиц, обладающих малой способностью к агломерации и отстаиванию, так как поступление в водоем мелко дисперсной взвеси небезразлично для органолептических и физических свойств воды водоисточников и приводит к изменению кислородного режима [46].
Вопросам очистки поверхностного стока в нашей стране до недавнего времени не уделялось должного внимания. Исследования в этой области проводятся лишь с 70-х годов. В большинстве крупных городов России поверхностные сточные воды с городских территорий сбрасываются в водоемы без очистки [71].
Не является исключением и г. Чита, где кроме всех перечисленных выше проблем существует и ряд своих специфических. К ним относятся: отсутствие дождевой канализации, высокая интенсивность ливней, значительные уклоны покрытий и улиц, большие площади территории не имеющие залуженных газонов, плохие условия разбавления сточных вод в межень. Это свидетельствует о крайне неблагоприятных условиях формирования качественного состава поверхностных сточных вод. В то же время исследования ливневого стока г. Читы не проводились. Поэтому проведение экспериментального изучения условий формирования и качества поверхностного стока с территории города, его воздействия на водоприемник - р. Чита является актуальной задачей [27,29].
15
1.3 Методы прогноза объема и расхода ливневого стока
Существует множество методов прогноза максимального расхода ливневого стока [7, 26, 65, 54, 74 и др]. Ниже кратко охарактеризованы некоторые из них.
Расходы стока дождевых вод qr, л/с, по СниП 2.04.03-85 определяется методом предельных интенсивностей по формуле:
- xF/t/ , (l)
где zmid- среднее значение коэффициента, характеризующего поверхность бассейна стока; А - показатель интенсивности дождя; F - расчетная площадь стока, га; tr - расчетная продолжительность дождя, равная продолжительности протекания поверхностных вод по поверхности и трубам до расчетного сечения, мин.
Расчетные расходы дождевых вод для гидравлического расчета канализационной сети qcal, л/с, определяется по формуле:
<1г> (2)
где р - коэффициент, учитывающий заполнение свободной емкости сети при возникновении напорного режима.
Профессором М.М. Протодьяконовым [64] предложена формула для определения наибольшего расхода ливневых вод для бассейнов до 100 км .
Q = 16,61 х(ах -i)xгде ах - расчетная интенсивность дождя для данного климатического района, мм/мин; /- расчетная интенсивность впитывания воды почвогрунтами бассейнов, мм/мин; <р- коэффициент одновременности стока; F- площадь бассейна, км2.
16
Профессором А.В. Огиевским для бассейнов с площадью от долей квадратных километров до нескольких десятков тысяч квадратных километров, предлагается использовать следующую формулу:
Q = 0.65xBxF05*xCxnxKxC3xKl9 (4)
где Q- максимальный расход ливневых сточных вод, В- географический параметр определяемый по карте изолиний, F- площадь бассейна, С-значение коэффициента русловой характеристики, п- коэффициент формы бассейна, К- коэффициент учитывающий залесенность и заболоченность бассейна, С3- коэффициент зарегулированности стока в бассейне, Кх-поправочный коэффициент [54].
Б.Ф. Перевозников [55] предлагает для расчета максимальных расходов дождевых паводков Qp> использовать формулу:
F
Q =\6,7xrjxaxKtxKFx (5)
(/* +1)
где rj- коэффициент стока (склонового), изменяющийся в зависимости от региона и обеспеченности расхода воды, а- интенсивность осадков, соответствующая обеспеченности расхода, мм/мин, К,- коэффициент
редукции интенсивности дождевых осадков, изменяющийся в зависимости от площади водосбора и ливневого района, KF - коэффициент неравномерности выпадения дождевых осадков, F - площадь водосбора, км .
Эти и аналогичные им методы позволяют рассчитать только максимальный расход ливневых сточных вод.
В гидрологии существует ряд методов по расчету гидрографов для водотоков [22, 35, 38, 51] и т.д., но их нужно адаптировать для расчета гидрографов поверхностного стока.
С гидрологических позиций очевидна необходимость исследования причин возникновения и развития этих процессов путем оценки компонентов
17

 Часть из работы     Получить работу