Введение к работе
Актуальность темы, в современном индустриальном типе
цивилизации рост качества жизни сопровождается значительным
усилением техногенного потока вещества и энергии. Наиболее
кардинальным решением данной проблемы является создание
замкнутых производственных комплексов и связанной с ними
концепции "абсолютной безопасности". Естественно, такой подход
может в значительной степени решить проблему
<человек>_<окружающая среда> в рамках индустриальной цивилизации.
Однако реальные технологические проработки по реализации этой концепции показали, что достигаемая степень технологической "замкнутости" большинства производственных процессов существенно нелинейна по отношению к величине затрат, требуемых для ее реализации.В то же время.традиционные подходы к достижению этой "замкнутости" связаны в значительной мере с перераспределением консервативных поллютантов из среды с большей подвижностью в менее подвижную, что. как правило, значительно увеличивает масштабы потенциальной экологической опасности.
В рамках этих проблем существенное место занимает задача прогнозирования и регламентации сброса сточных вод в водные объекты. В настоящее время для решения этих вопросов разработан болыюй объем нормативных и методических материалов.Значительная их часть посвящена решению проблемы в рамках: <водовыпуск>- <водный объект>.Данный же подход может быть оправдан в том случае,если водопользователи через загрязнение водного объекта не оказывают влияния друг на друга. Однако, как правило, они группируются как территориально-промышленные комплексы (ТПЮ, в пределах которых и оказывают существенное взаимное влияние. Водные
объекты, включая их водосборные площади, представляют собой единые системы, поэтому объективные оценки возможных последствий техногенного воздействия могут быть получены только при учете всех источников загрязнения, расположенных в рассматриваемом бассейне,
Принципиальное значение для решения задач прогнозирования и нормирования имеет установление уровней безопасного содержания поллютантов в водных объектах. Традиционный подход к установлению ПЖ на основе биотических тест систем без учета гидрологических и гидрохимических особенностей не дает оснований для надежных прогнозов. Необходима разработка альтернативных моделей. Наибольшую актуальность, требующую к себе повышенного внимания, представляет в настоящее время проблема гетерофазнонеконсервативных поллютантов.
Данные поллютанты, представленные в первую очередь весьма токсичными тяжелыми металлами, активно мигрируя и накапливаясь в отдельных звеньях системы <вода>-<взветенные наносы*-<донные отложения*, создают существенную опасность повторного загрязнения. Описание их распространения в водных объектах требует учета и анализа значительного количества дополнительных факторов. Особенность миграции данных поллютантов требует нетревиального подхода к построению объектитплт «ритгрилп их пормиропания. Они требуют учета всех потоков поллютантов, распространяемых в водных объектах,
В то же время данные поллютанты являются наиболее характерными компонентами загрязнения сточных вод прядприятиями ряда крупных отраслей промышленности: горнодобывающей, металлургической, машиностроительной, а также некоторых химических производств.
Цель и задачи работы сОЗДаНИб СИСТ6М Прогнозирования
абиотических последствий и нормирования техногенных нагрузок, связанных со сбросом сточных вод в водные объекты на основе комплексного анализа процессов миграции поллютантов в масштабах крупных территориально-административных единиц Сна примере Пермской области).
Для достижения рассматриваемой цели необходимо было решить следующие задачи:
1. Создать методологию, структуру системы оперативного прогнозирования и нормирования техногенных воздействий в рамках
территориально-административных единиц.
-
Разработать классификацию техногенных воздействий на водные объекты с позиции прогнозирования их последствий на водные объекты и нормативного регламентирования.
-
Провести анализ современных методических подходов, лежащих в основе:
нормирования техногенных воздействий на водные объекты;
методов прогнозирования, включая оценку процессов разбавления, трансформации и миграции поллютантов;
- критериев безопасного содержания поллютантов в водных
объектах.
4. Изучить особенности миграции гетерофазнонеконсервативньк
поллютантов, в первую очередь тяжелых металлов, на основе
сочетания:
многолетних натурных наблюдений;
лабораторных экспериментов:
математического моделирования;
5. Оценить масштабы и изучить особенности формирования
процессов повторного загрязнения гетерофазнонеконсервативными
поллютантами, установленных на основе сочетания многолетних
натурных наблюдений на водотоках, подверженных особо
интенсивному техногенному воздействию
6. Построить концепции оптимального выбора моделей
прогнозирования и нормирования техногенных воздействий в
зависимости от:
-характера водного объекта,
-особенности техногенного воздействия и вида поллютанта,
-полноты и точности задания исходной информации.
7. Разработать структуру, дать программную реализацию
интегральной системы по оперативному прогнозированию и
нормированию техногенных нагрузок на водные объекты в рамках
территориально - административных единиц, включающей
информационные базы данных по:
гидрологическому и гидрохимическому режиму водных объектов;
токсикологическим характеристикам поллютантов;
технологическим характеристикам систем водоотведения,
а также пакеты моделей по прогнозированию и нормированию техногенных воздействий.
Основные положения, выносимые на защиту:
- б -
- методология построения систем оперативного прогнозирования и
нормирования с учетом комплексного анализа миграции
поллютантов для территориально-административных единиц;
- принципы установления уровней экологически безопасного
содержания эндогенных поллютантов в естественных водных
объектах;
методические особенности прогнозирования последствий, нормирования взвешенных наносов и гетероФазнонеконсервативных поллютантов с учетом их миграции в системе <вода>-<вэвешенные наносы>-<донные отложения*.
Научная новизна исследования.
В диссертационной работе развивается перспективное научное направление, связанное с прогнозированием и нормированием техногенных нагрузок на водные объекты. Она является одной из первых работ, где развивается концепция комплексного нормирования.
Автором впервые предложена, обоснована и реализована Сна примере Пермской области) комплексная централизованная система нормирования и прогнозирования техногенных нагрузок на водные объекты в рамках крупных территориально- административных единиц. Она включает в себя научно- методические и организационные аспекты, информационное и программное обеспечение. Созданный программный комплекс позволяет проводить в масштабе Пермской области1
прогнозирование зон загрязнения водных объектов* включая каскад Камского и Боткинского водохранилищ' как при различных возможных аварийных ситуациях, так и регламентном сбросе сточных вод>
динамическое нормирование» по бассейновому принципу, всех основных декларируемых техногенных источников загрязнения
Б ходе выполненных исследований дана классификация техногенных процессов с позиций их прогнозирования и регламентации воздействия на водные объекты.
Дан детальный анализ методов описания поведения в водных объектах как консервативных, так и гетероФазнонеконсервативных поллютантов.
Предложены критерии их оптимального выбора в зависимости от:
характера водного объекта;
режима сброса сточных вод;
вида поллютанта;
размера расчетной области;
объема и точности задания исходной информации.
Исследована миграция и предложены методы описания динамики гетлрпфлгчюпоконсорплтиБНых поллютантов в системах <вода>-<взвешенные наносы*-<донные отложения> водотоков-приемников. При этом:
были установлены аналитические зависимости между максимальной емкостью сорбции и размерами частиц;
- доказана обратная зависимость коэффициента распределения в
процессе сорбции тяжелых металлов от концентрации взвешенных
частиц.
На основе многолетних наблюдений на водотоках-приемниках, подверженных особо интенсивному техногенному воздействию, оценены масштабы и внутригодовое распределение интенсивности процессов повторного загрязнения.
Разработаны модели рассматриваемых процессов, позволяющие прогнозировать их интенсивность с учетом как динамики донных отложений, так и внутригодовых и междугодовых колебаний стока водотоков-приемников.
Выполнен сопоставительный анализ различных методических подходов к установлению предельно допустимых концентраций для водных обьектов. Указаны области их наиболее рационального применения.
Доказана необходимость введения и предложена методология установления для:
поллютантов, характерных для естественного режима водных объектов, предельных экологически допустимых концентраций на основе анализа статистики их Фонового содержания;
крупных водных объектов, наряду с традиционной системой локальных, также интегральных ограничений мощности техногенных потоков на основе сопоставления с соответствующими естественными потоками, оцениваемыми в целом на водный объект. Впервые на основе балансовых оценок на водотоках-приемниках Соликамско-Березниковского промузла и в целом Камского водохранилища оценено соотношение "декларируемых" и "скрытых" компонент в антропогенном потоке поллютантов. Установлено, что "декларируемая" составляющая, оцениваемая по материалам официальной отчетности в общем потоке поллютантов.
обусловленных процессами техногенезе, для таких ингредиентов как нефтепродукты. Фенолы, тяжелые металлы не превышает 10.
Показана необходимость "отслеживания" всех потоков поллютантов непосредственно от "производственных контуров" до замыкающих звеньев, в качестве которых могут выступать как "человек", так и лимитирующие "гидробионты". На конкретном примере (БОС г.Перми) дан анализ потоков тяжелых металлов от сбрасываемых промстоков до человека.Установлено,что при полном использовании осадка сточных вод в качестве удобрения при выращивании сельскохозяйственной продукции, поток металлов через нее на человека более чем в 100 раз превышает интенсивность потока через гидробионты (рыбу).
На основе анализа большого объема материалов гидрохимических наблюдений на водных объектах показано, что техногенные факторы существенно усиливают ассиметрию колебаний содержания поллютантов, а под влиянием естественных факторов происходит их определенная нормализация.
Предложены новые методические подходы к:
- определению фоновых концентраций при регламентированном
сбросе сточных вод;
установлению локальных величин предельно допустимых концентраций для поллютантов, характерных для рассматриваемого водного объекта в его естественном состоянии;
нормированию сброса неконсервативных поллютантов, включая гетерофазнонеконсервативные, с отказом от так называемых минимальных лимитирующих расходов водотоков-приемников;
расчету транспортирующих концентраций взвешенных веществ в водотоках-приемниках сточных вод.
Практическое значение работы.
Разработанная система оперативного прогнозирования последствий аварийных ситуаций и нормирования сброса сточных вод в водные объекты (КАМА) внедрена в практику оперативной работы Пермского областного комитета по охране природы Результаты исследований,полученные в ходе реализации данной комплексной работы, широко использовались при прогнозировании и нормировании воздействий предприятий угольной промышленности России, и в целом технологических комплексов Пермской области на водные объекты.
Материалы автора использовались непосредственно при:
- построении прогнозных оценок воздействия предприятий
угольной части КАТЭКа, Экибастуза, Кузбасса на объекты
окружающей среды;
многовариантных прогнозах оценки последствий сброса сточных вод предприятиями ПО "Челябинскуголь" в озера;
оценке последствий техногенного загрязнения донных отложений р.Абы;
- прогнозе последствий техногенного воздействия на водные
объекты г.Соликамска. г.Березники;
обосновании проекта Крапивинского гидроузла;
разработке комплексного прогноза возможного влияния Пермской ГРЭС на окружающую среду.;
разработке нормативов ГЩС предприятий угольной промышленности Пермской области, а также для всех водопользователей Пермской области.
Методические подходы и программные средства, использованные автором при разработке нормативов ГЩС для предприятий угольной промышленности, были закреплены в виде методических документов, согласованных в Главном управлении по охря і к j т,д Минводхоза СССР.
Разработанные автором программы:
- предельно допустимых сбросов в водоемы {ГШР;
предельно допустимых сбросов в систему канализации населенных пунктов <КОЛЛЕКТ0Р>;
компьютерной базы данных по гидрохимии "СТВОР" выполненной на примере Пермской области5;
по прогнозированию последствий техногенных аварий на водных объектах "АВАРИЯ", "river", а также в целом программный комплекс "КАМА"
сертифицированы межрегиональным координационным советом по компьютеризации в системе Минприроды Российской Федерации и широко используются в практической деятельности природоохранных органов.
Результаты проведенных исследований могут быть внедрены в различных направлениях:
практической работы территориальных и отраслевых природоохранных и водохозяйственных служб;
в научно-исследовательских и проектных организациях, связанных с решением вопросов охраны и рационального
- ю -
использования поверхностных водных ресурсов;
в учебных процессах кафедры гидрологии суши и охраны природы;
по прогнозированию последствий техногенных аварий на водных объектах.
Апробация работы.
Основные положения и материалы диссертационной работы докладывались на:
- vii Всесоюзном симпозиуме по современным проблемам
прогнозирования, контроля качества воды водоемов и озонирования
(Таллин, 1985);
- Пятом гидрологическом съезде (Ленинград, 1986);
_ хмх Всесоюзном гидрологическом совещании (Ростов-на-Дону, 1987);
Третьей Всесоюзной конференции "Динамика и термика рек, водохранилищ и окраинных морей" (Москва, 1989);
ї Международном симпозиуме "Проблемы токсичности и прикладной экологии" (Пермь-Москва, 1981);
ї Международном симпозиуме по физической географии (Москва, 1992);
п симпозиуме США-СНГ по экологии, гидрологии и гидрогеологии (г.Вашингтон, 1993);
Всероссийской конференции "География; хозяйствование, экономика, здоровье, общество (Пермь, 1993);
- Международном конгрессе "Вода: экология и технология"
(Москва, 1994);
- Межотраслевом научно-техническом конгрессе "Экологическая
безопасность ТЭК: проблемы и пути решения" (Пермь, 1994);
International Co-Conference Environmental Pollutions
- Международном симпозиуме spm_95 (Москва-Пермь, 1995),
а также на отраслевых и территориальных конференциях и совещаниях по охране природы и разным природопользователям.
Результаты диссертационной работы изложены в двух монографиях, 96 статьях и тезисах докладов.
В полном объеме диссертационная работа рассматривалась на Ученом совете ЮГМ УрО РАН, расширенном заседании кафедры гидрологии суши Пермского государственного университета.