Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние малых рек и технологий их очистки 13
1.1. Антропогенное воздействие на малые реки 13
1.1.1. Общие сведения о загрязнении окружающей среды 14
1.1.2. Состояние малых рек Юга России (общая характеристика) 16
1.1.3 . Влияние урбанизации на экологическое состояние малых рек 18
1.2. Классификация причин деградации малых рек 19
1.2.1. Заиление русел малых рек 20
1.2.2. Нарушение развития русловых процессов 22
1.2.3. Загрязнение и замусоривание малых рек 23
1.2.4. Зависимость деградации малых рек от антропогенного воздействия 25
1.3. Комплекс технических мелиораций по восстановлению малых рек 26
1.3.1. Регулирование водного стока малых рек 26
1.3.2. Регулирование наносного режима и русловых процессов 27
1.3.3. Регулирование морфометрических параметров 30
1.3.4. Особенности расчистки малых рек 32
1.4. Технологии очистки малых рек от донных отложений 34
1.4.1. Механизированный способ разработки донных отложений 35
1.4.2. Очистка малых рек гидромеханизированным способом 40
1.4.3. Комбинированный способ производства очистных работ 43
1.5. Опыт использования геотекстильных контейнеров в мировой практике 43
1.5.1. Анализ конструкций геотекстильных контейнеров 43
1.5.2. Применение геотекстильных контейнеров в различных областях хозяйства 47
1.5.3. Обзор исследований по расчету рациональных параметров тканевых оболочек 50
1.5.4. Производство и эксплуатация геотекстильных контейнеров в России 54
ВЫВОДЫ з
2. Экологическое состояние реки темерник и ее притоков с учетом хозяйственной деятельности 61
2.1. Общая характеристика бассена 61
2.1.1. Физико-географическое описание бассена 61
2.1.2. Показатели состояния реки Темерник и ее бассейна 62
2.2. Зонирование территории бассейна реки Темерник по поступлению загрязняющих веществ 64
2.2.1. Принципы проведения зонирования 64
2.2.2. Схема зонирования реки Темерник по интенсивности поступления загрязнений 67
2.3. Обследование русла и водоохранной зоны реки Темерник 69
2.3.1. Маршрутное обследование до проведения расчистки загрязненного участка реки Темерник 69
2.3.2. Результат и последствия проведения очистных работ на природу водоема и качество воды 72
2.3.3. Способ хранения и утилизация донных отложений 77
ВЫВОДЫ 78
3. Разработка новой технологии очистки малых рек от донных отложений с использованиемгибких конструкций 79
3.1. Расчистка рек гидромеханизированным способом, с применением геотекстильных контейнеров из фильтрующих материалов высокой прочности 79
3.2. Заполнение и обезвоживание донных отложений в геотекстильных контейнерах 80
3.3. Преимущества новой технологии 83
3.4. Оценка условий применимости новой технологии 84
3.5. Технологии изготовления геотекстильного контейнера многократного использования на основе отечественных материалов 85
3.5.1. Описание конструкции геотекстильного контейнера 85
3.5.2. Экспериментальные исследования прочности отечественных технических тканей 87
3.5.3. Обоснование отечественных типов материала для производства геотекстильных контейнеров 90
3.5.4. Изучение фильтрационной способности геотекстильных материалов при обезвоживании донных отложений в контейнере 93
3.5.5. Рекомендации по подбору оптимальных (заводских) параметров геотекстильных контейнеров, изготавлива емых на основе отечественных технических тканей 96
ВЫВОДЫ 98
4. Методика расчета конструктивных параметров геотекстильных контейнеров из отечественных тканевых материалов 100
4.1. Тканые контейнеры в условиях геометрической и физической нелинейности 100
4.2. Обоснование геометрических размеров геотекстильных контейнеров 103
4.3. Физические параметры геотекстильных контейнеров 110
4.4. Продольные и кольцевые напряжения в контейнере 113
4.5. Функциональные зависимости параметров геотекстильных контейнеров 114
4.6. Испытания опытного образца геотекстильного контейнера 123
Выводы 126
5. Экономическая эффективность и перспективы применения геотекстильных контейнеров в мелиоративном строительстве 127
5.1. Расчет экономической эффективности отечественных геотекстильных контейнеров 127
5.2. Рекомендации по совершенствованию комплекса мероприятий по очистке и восстановлению реки Темерник 132
5.3. Перспективы применения результатов работы 135
Выводы 137
Общие выводы 139
Список литературы
- . Влияние урбанизации на экологическое состояние малых рек
- Физико-географическое описание бассена
- Изучение фильтрационной способности геотекстильных материалов при обезвоживании донных отложений в контейнере
- Физические параметры геотекстильных контейнеров
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Усиление антропогенной деятельности приводит к нарушению функционирования и устойчивости природных систем, что оказывает значительное воздействие на малые реки, которые являются наиболее распространёнными элементами гидрографической сети. На водосборах малых рек проживает около 30 % городского и около 90 % сельского населения, при этом наибольшая плотность наблюдается в непосредственной близости к водным объектам. Малые реки в значительной степени влияют на гидрологический, биологический и биохимический режимы ландшафтов, поддерживая равновесие и перераспределение влаги и имеют важное значение для водоснабжения населения.
За последние 200 лет выявлено значительное ухудшение качества воды и накопление наносов антропогенного происхождения, что препятствует естественному ходу восстановления малых рек. Отложившийся в руслах ил изменяет качество воды, приводит к нарушению биологического равновесия, подавлению процессов самоочищения водоема, изменению экосистемы. Очистка малых рек от донных отложений диктуется необходимостью восстановления заиленных и отмирающих русел для обеспечения экологической безопасности населения и сохранения будущим поколениям источников чистой воды. Кроме того, мелиорация малых рек уменьшает угрозу подтопления территорий и разрушения плотин, дамб и других гидротехнических сооружений. Диссертационное исследование направлено на изучение и совершенствование технологий очистки и восстановления малых рек в условиях плотной застройки прибрежных территории.
Степень разработанности темы. Анализ экологического состояния малых рек позволил оценить негативное влияние очагов загрязнения и деградации русел на земли общего, сельскохозяйственного назначения, прирусловые зоны и поймы. В работах В.В. Докучаева, Н.И. Маккавеева, В.С. Лапшенкова, Р.С. Чалова, Н.И. Алексеевского и других показано, что накопившийся в настоящее время в днищах долинной сети мощный слой наносов антропогенного происхождения препятствует естественному ходу восстановления малых рек. Загрязнение водных объектов, прибрежных территорий, пойм, донных отложений и их защиту от антропогенных воздействий отразили в своих работах: А.М. Ни-каноров, В.И. Сметанин, Н.И. Каронкевич, В.И. Данилов-Данильян, В.Г. Пря-жинская, И.А. Шикломанов, И.С. Румянцев, М.М. Мордвинцев, В.А. Волосу-хин, П.П. Павловский, К.К. Эдельштейн, В.Е. Райнин, Н.В. Коломийцев, В.В. Шабанов, П.М. Лурье, В.М. Яшин, К.Л. Чертес, Т.А. Ильина, и др.
Исследование технологий восстановления малых рек в России выявило недостатки существующих способов, выражающиеся в нарушении прибрежных территорий и экосистемы водоема, во вторичном загрязнении, а также в необходимости значительного отвода территорий под размещение донных отложений и т.д. Используя мировой опыт по применению геосинтетических оболочек Geotube для обезвоживания илистых осадков, в работе предложена технология восстановления малых рек путем удаления донных отложений с использовани-
ем геотекстильных контейнеров многократного применения из фильтрующих материалов высокой прочности
Цель исследований: совершенствование технологии очистки малых рек от донных отложений с использованием фильтрующих геотекстильных контейнеров.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
провести анализ технологий и мероприятий по восстановлению малых рек и очистки от донных отложений;
оценить экологическое состояние реки Темерник Ростовской области в условиях развития хозяйственной деятельности в ее бассейне;
усовершенствовать технологию очистки малых рек на основе гидромеханизации с применением геотекстильных контейнеров из фильтрующих материалов высокой прочности;
- разработать конструкцию фильтрующих геотекстильных контейнеров
многократного применения для сбора и обезвоживания донных отложений;
- исследовать прочность технических тканей, их фильтрующие свойства и
определить рациональные параметры геотекстильных контейнеров на основе
теории тканевых оболочек;
усовершенствовать методику расчета конструктивных параметров геотекстильных контейнеров из отечественных тканевых материалов;
выполнить расчет экономической эффективности применения геотекстильных контейнеров при удалении донных отложений на реке Темерник;
разработать рекомендации по очистке и восстановлению реки Темерник в условиях плотной застройки прибрежных территорий.
Научная новизна. Впервые для мелиорации малых рек разработана технология удаления донных отложений на основе гидромеханизации с применением геотекстильных контейнеров из отечественных фильтрующих материалов высокой прочности, которая в отличие от существующих технологий позволяет удалять донные отложения в условиях плотной застройки, исключает их попадание в русло реки и на берега, тем самым сохраняя прибрежные территории от загрязнения и сокращая площадь, отводимую под размещение донных отложений. Предложена новая конструкция геотекстильного контейнера многократного применения и методика его расчета с учетом геометрической и физической нелинейности с получением функциональных зависимостей для определения параметров контейнера.
Теоретическая значимость работы заключается в научном обосновании технологии восстановления малых рек путем удаления донных отложений экологически безопасным способом с использованием геотекстильных контейнеров тонкой фильтрации из материалов отечественного производства, получении расчетных зависимостей физических и геометрических параметров геотекстильных контейнеров, на основе которых разработана методика расчёта контейнеров из фильтрующих материалов с учётом геометрической и физической нелинейности, а также в установлении функциональных зависимостей для мониторинга характеристик контейнера в процессе его эксплуатации в момент наполнения и обезвоживания.
Практическую значимость работы составляют: рекомендации по очистке и восстановлению реки Темерник в условиях плотной застройки прирусловой зоны и поймы с применением разработанных геотекстильных контейнеров; технология удаления, обезвоживания и утилизации донных отложений реки Темерник в условиях ограниченной территории; обоснование параметров контейнеров заводского изготовления, предназначенных для удаления донных отложений; перспективная конструкция контейнера многократного применения, обеспечивающая обезвоживание донных отложений через фильтрующие стенки и удержание твёрдых фракций пульпы от попадания на прибрежные территории; зонирование реки Темерник по интенсивности поступления загрязняющих веществ.
Практическая значимость исследований подтверждена внедрением результатов при проведении работ по очистке отстойника от иловых отложений (объем 100 м3), расположенного в г. Ростов-на-Дону, при очистке Темерницко-го тракта от вторичного заиления и при удалении иловых отложений в водном объекте дендрария «Южных культур», г. Адлер с использованием методики расчета геотекстильных контейнеров.
Методология и методы исследований. Исследования проводились с использованием системного анализа и математического моделирования. Лабораторные испытания осуществлялись на стандартном сертифицированном оборудовании, по общепринятым современным методикам с обработкой результатов статистическими методами и использованием программного обеспечения. Полевые исследования и внедрение выполнялись на производственных объектах Ростовской области.
Положения, выносимые на защиту:
технология удаления донных отложений при очистке малых рек в условиях плотной застройки на основе гидромеханизации с применением геотекстильных контейнеров из отечественных фильтрующих материалов высокой прочности;
новая конструкция геотекстильного контейнера многократного применения для сбора и обезвоживания донных отложений;
- методика расчёта параметров геотекстильных контейнеров из фильт
рующих гибких материалов с учётом физической и геометрической нелинейно
сти усилий и деформаций, включая функциональные зависимости для монито
ринга их состояния;
- рекомендации по мелиорации реки Темерник на основании нового спо
соба удаления донных отложений с применением геотекстильных контейнеров.
Достоверность результатов исследований подтверждается использованием современной методологической базы, апробированных методик, стандартных методов математического анализа, с применением приборов и установок, прошедших в нормативные сроки метрологическую аттестацию, сопоставлением полученных результатов с данными других авторов, применением методов математической статистики для обработки результатов, широкой апробацией и внедрением в практику проектирования результатов научных исследований.
Апробация работы. Основные положения и результаты научных исследований докладывались на Всероссийском конкурсе научно-исследовательских работ студентов, аспирантов и молодых ученых «ЭВРИКА-2011» (Новочеркасск, ЮРГТУ, 2011 г.); ежегодных научно-практических конференциях НГМА (Новочеркасск, 2010-2013 гг.); Международной научно-практической конференции «Техносферная безопасность, надежность, качество, энергосбережение» (Ростов-на-Дону – Новомихайловский, РГСУ, 2012г.); VIII Международной научно-практической конференции «Агропромышленный комплекс: состояние, проблемы, перспективы» (Пенза, МНИЦ ПГСХА, 2012 г.); VII Международной научно-практической конференции «Агроинженерная наука в повышении энергоэффективности АПК» (Зерноград, СКНИИМЭСХ, 2012 г.); X Международной научно-практической конференции «Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновации» (Курск, ЮЗГУ, 2013 г.); Всероссийской конференции, посвященной 100-летию со дня рождения Розанова Николая Николаевича «Актуальные проблемы гидротехники» (Москва, МГУП, 2013 г.); Международной научно-практической конференции «Интеграция науки и производства – стратегия устойчивого развития АПК России в ВТО» (Волгоград, Волгоградский ГАУ, 2013 г.); Международной конференции «Первые Виноградовские чтения. Будущее гидрологии» (Санкт-Петербург, СПбГУ, 2013 г.); Международной научно-практической конференции «Научные основы стратегии развития АПК и сельских территорий в условиях ВТО» (Волгоград, Волгоградский ГАУ, 2014 г.); Международной научно-практической конференции, посвященной 95-летию ФГБОУ ВПО ГГНТУ им. акад. М.Д. Миллионщи-кова «Современные строительные материалы, технологии и конструкции» (Грозный, ГГНТУ, 2015 г.); Международной научно-практической конференции профессорско-преподавательского состава и сотрудников РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева (Москва, РГАУ-МСХА, 2016).
Публикации. Основные научные результаты исследований опубликованы в 26 работах, в том числе 5 - в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.
Личный вклад автора. Выполнены автором лично постановка задачи исследования, анализ отечественной и зарубежной литературы, разработка методики проведения полевых и лабораторных исследований, теоретическое обоснование, подбор и расчет параметров фильтрующих материалов, лабораторные испытания, статистическая обработка полученных данных, их анализ, сформулированы окончательные выводы.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка литературы из 223 наименований (в том числе 33 работы зарубежных авторов) и 2 приложений. Основное содержание диссертации изложено на 163 страницах текста, включая 34 рисунка, 17 таблиц, 1 схему и 4 фотографии.
. Влияние урбанизации на экологическое состояние малых рек
Регулирование водного режима малых рек осуществляется следующими способами [124, 127]: - аккумулированием; - регулированием расходов и уровней воды, скоростей течений, притока, сне-го-ледовых процессов. Аккумулирование – способ, реализуемый посредством создания водохранилищ и емкостей для сбора вод, а также действием специальных сооружений, создающих в водных объектах свободные пространства для накопления вод. При восстановлении рек и водоемов этот способ используют чаще всего для проведения последующих водных мелиораций: очистки водоемов путем промывки, терморегулирования и регулирования качества вод разбавлением, т.е. для изменения таких характеристик водного режима, как расход воды, уровень воды и скорость потока.
Режим расходов воды играет решающую роль в функционировании всех составляющих геоэкосистемы реки. От него зависят уровни, скорости течения, процессы в русле и на пойме, процессы самоочищения воды, жизнь фито- и зообиоце-нозов. При восстановлении водоемов главной целью регулирования расходов воды является улучшение состояния русла, именно это позволяет предотвращать деградацию реки и снижение ее продуктивности. Второй задачей регулирования расходов воды следует считать рациональное использование водных ресурсов [83].
Главным средством регулирования расходов воды являются водохранилища. Ведущими факторами при выборе места водохранилища являются: а) соответствие стока задачам регулирования реки в рассматриваемом створе; б) удовлетворительные условия для создания водохранилища (топография, геология, селитебные территории и т.п.).
Для каждого объекта определяются конкретные задачи регулирования, в частности: - обеспечение скоростей течения для промыва русла от илистых отложений, прикрывающих обнажения в русле водопроницаемых грунтов; - обеспечение экологической и санитарной проточности в русле; - улучшение ландшафтно-рекреационной ценности в русле; - улучшение ландшафтно-рекреационной ценности реки; - борьба с наводнениями; - специальные пропуски для обеспечения регулирования расходов воды в реки старшего порядка; - рациональное использование водных ресурсов; - влагозарядковое затопление продуктивных пойменных массивов.
Регулирование наносного режима и русловых процессов Основными задачами регулирования стока и русловых процессов при восстановлении малых рек являются: 1) ликвидация последствий деградации рек и водоемов – их заиления или размыва; 2) снижение нагрузки потока наносами; 3) предотвращение вторичного заиления русел, снижение интенсивности заиления прудов и водохранилищ; 4) формирование устойчивых режимов (стабилизация руслового процесса) при хозяйственном использовании. Эти задачи решаются мелиоративными мероприятиями «Регулирование наносного режима» и «Регулирование морфометрических параметров» (см. п. 1.3.3). Регулирование наносного режима рек и водоемов осуществляется путем аккумулирования, удаления, перераспределения наносов. Сложность решения таких задач состоит в том, что приходится ориентироваться не только на текущее состояние рек и водоемов, но и учитывать перспективу использования этих водных объектов в процессе и после восстановления.
Регулирование наносного режима и морфометрических параметров можно отнести к мероприятиям чисто технических мелиораций, поскольку для их реализации используются только технические средства [88].
Как указано выше, способы регулирования наносного режима включают аккумулирование, удаление, перераспределение наносов. Но, по условиям их применения и характеру средств воздействия, а также реакции водной среды на эти средства возникает большое разнообразие вариантов (о чем свидетельствует опыт эксплуатации зарегулированных участков рек, водозаборных гидроузлов, инженерных коммуникаций и пр.) [63, 102, 170].
Аккумулирование избытка наносов в русле, особенно илистых и глинистых частиц (на них приходится до 90 % взвешенных наносов), может рассматриваться как временная мера защиты нижерасположенного участка реки до выяснения и устранения истинной причины возникновения перегрузки потока наносами. Такая аккумуляция в русловых отстойниках может существенно ухудшить состояние расположенных выше участков размывами, зарастанием руслового отстойника и т.п. Схема такого отстойника приведена на рисунке 1.1.
Схема удаления наносов из потока Удаление наносов (в основном донных) из потока без предварительного аккумулирования в русле возможно с помощью струенаправляющих систем или порогов и их отводом по каналу с относительно большим уклоном к месту складирования (рис. 1.2).
Реализация таких схем далека от идеальной и, пожалуй, единственным эффективным средством регулирования наносов в русле остается их перераспределение по живому сечению потока, с последующей аккумуляцией и удалением (чаще всего гидромеханическим путем).
Перераспределение наносов по ширине русла достигается установкой струе-направляющих систем М.В. Потапова. Эти приемы и сами конструкции изучаются в курсе «Гидротехнические сооружения», где излагаются условия их применения, достоинства и недостатки. Здесь следует отметить предложение В.С. Лапшенкова [81, 82] по использованию для этих целей системы криволинейных донных порогов (рис. 1.3).
Порог воздействует на поток в месте наибольшей концентрации наносов и там, где происходит деформация русла, т.е. на дне. Ни мусор, ни лед, ни шуга не нарушают его работу; он не препятствует миграции рыб.
Физико-географическое описание бассена
Подсоединение подающего пульпопровода к контейнеру (геотуб) осуществляется через специальные рукава Filing Funnel или GeoPort, прикрепленные к своду контейнера с интервалом 15 м.
Технологический комплекс Geotube легко разворачивается и сворачивается на местности, не оставляя нарушенных земель, а требуемое оборудование не имеет подвижных и трущихся частей, громоздких и энергоемких устройств, что позволяет применять данную технологию в полевых условиях.
Уникальные фильтрующие характеристики и удерживающая способность контейнеров обеспечивает получение сухого обезвоженного ила, удобного для погрузки и транспортировки. Контейнер вскрывается и его содержимое вывозится на свалки или полигоны ТБО [4, 162].
Основным недостатком конструкции контейнеров Geotube является их однократное применение. После заполнения и обезвоживания донных отложений для транспортировки продуктов расчистки приходится вскрывать контейнер, а поскольку он состоит из цельного рукава, его разрезают, отчего он становится непригодным для повторного применения. 1.5.2. Применение геотекстильных контейнеров в различных областях хозяйства
Технология использования геосинтетических оболочек была разработана компанией Royal TenCate, Нидерланды. Продвижение ее на рынке и производство работ осуществляются двумя подразделениями: TC Mirafi и TC Nicolon [208].
Для изготовления секций геотубов был выбран высокопрочный тканевый полипропилен – промышленный геосинтетический материал, а для их соединения – специальная высокопрочная сварка (пайка). Это необходимо, чтобы оболочки выдерживали высокое давление в процессе их заполнения.
Впервые технология Geotube была применена в США при реконструкции защитной песчаной дюны в Атлантик Сити, штат Нью Джерси в 1993-1995 гг. Обустройство береговой защитной насыпи с использованием грунтозаполненных геосинтетических оболочек позволило сэкономить миллионы долларов, которые в противном случае пришлось бы потратить на восстановление прибрежной части города.
Подобные оболочечные конструкции использовались также для сооружения временного стадиона на пляже Бондай Бич в Сиднее при проведении соревнований во время летних Олимпийских игр 2001 года. Аналогичные конструкции достаточно легко устанавливаются даже в самых неблагоприятных условиях и служат длительное время [211].
Ознакомление со свойствами и характеристиками геосинтетиков различных марок, зарубежным опытом их применения дает право говорить о перспективности применения оболочечных геосинтетических конструкций для удаления и обезвоживания донных отложений.
Компания Royal TenCate не остановилась на производстве и применении водонепроницаемых геотубов для берегоукрепления. Впоследствии ею были разработаны фильтрующие геотубы, также изготовленные из полипропиленовой технической ткани. В данном случае полипропиленовая ткань имела поры для фильтрации, позволяющие отделять влагу и задерживать твердые частицы внутри контейнера. Освоенная новая технология обезвоживания жидкого осадка в фильтрующих контейнерах позволила компании Royal TenCate предложить новые решения складиро 48 вания, транспортировки и утилизации жидких отходов в различных областях хозяйственной деятельности. Расчистка рек. Обезвоживание и удаление донных отложений Примером применения в мировой практике технологии Geotube является обезвоживание и удаление донных отложений в Черном озере, которое питается водой из реки Паульстром в Швеции. Вдоль русла располагаются промышленные предприятия, сбрасывающие в реку вещества, содержащие ртуть. Объем загрязнений осадка составил 15-20 тыс. тонн. Всего из озера [13] было извлечено около 250 тыс. м3 осадка, который обработан флокулянтом в промежуточном отстойнике, закачан в контейнер Geotube, откуда после обезвоживания был вывезен на утилизацию.
Обезвоживание топочного шлама на электростанциях
Одна из сложных технологических задач – обезвоживание и утилизация зольной пыли электростанций, работающих на каменном угле. Это задача успешно разрешается путем применения контейнера Geotube. Технология Geotube удерживает зольную пыль, предотвращая загрязнение атмосферы, происходящее при хранении золы в кучах на открытых площадках [12, 218].
Обезвоженная зола в контейнерах Geotube может использоваться как материал для отсыпки слоев основания в дорожном строительстве, а также в качестве защитных берм вокруг отстойников для увеличения их емкости.
Процесс прост и экономичен, т.к. в большинстве случаев нет необходимости добавлять флокулянт в летучую золу. Примером применения является расчистка отстойника в городе Камден, США, содержащего 3 800 тыс. м3 золы уноса с содержанием сухого вещества 2,6 %. До внедрения технологии Geotube зольная пыль подвергалась процессу естественной сушки, что было неэффективно, т.к. зола подвергалась последующему обводнению атмосферными осадками. После 30 дней пребывания в контейнере Geotube шлам обезводился до концентрации 37 % сухого вещества. Внедрение технологии Geotube позволило данной электростанции экономить более 60 тыс. долларов США в год на обезвоживание золы.
Изучение фильтрационной способности геотекстильных материалов при обезвоживании донных отложений в контейнере
Река Темерник, протекающая в черте города Ростов-на-Дону, это наглядный пример водного объекта, находящегося в условиях природно-техногенного ландшафта. В бассейне реки четко выражена плотная застройка поймы, нарушены границы прибрежных территорий, на которых запрещено строительство.
Река Темерник – равнинная, относится к категории малых и протекает по территории Аксайского и Мясниковского районов Ростовской области.
Река Темерник, правый приток реки Дон [89, 90], длина 33 км, площадь водозабора 293 км2, средний годовой сток 5 млн. м3 (наибольший – 8 млн. м3, наименьший – 1 млн. м3), уклон 2,3 , ширина русла в среднем до 10 м, глубина 0,3 – 0,8 м, является одной из самых загрязненных в Ростовской области. Протекает на протяжении 18 км (54,5 % длины реки) по г. Ростову-на-Дону и является естественным приемником стока атмосферных осадков, родниковых и сбросных вод. В бассейне реки Темерник проживает около 600 тыс. чел. (плотность населения 16,9 тыс. чел./км2), расположено более 150 предприятий и организаций, около 20 автозаправок, 16 автомобильных и 3 железнодорожных мостов. В Петровскую эпоху река Те-мерник была полноводной и по ней в те времена ходили корабли. В настоящее время река Темерник деградировала, заилилась, заросла растительностью и обмелела. Большую часть загрязнений русло получает от сброса сточных вод. Основным источником токсичных иловых накоплений (по расчету 22-25 тыс. м3/год) являются нерегламентированные свалки мусора по долинам реки и ее притоков. Требуется тщательный анализ причин деградации бассейна реки Темерник, на основании которого будут разрабатываться мероприятия по ее очистки и восстановлению.
Определение современных морфометрических характеристик на различных участках реки проводилось нами при помощи тахеометра, эхолота, мелкой рейки и других геодезических и гидрометрических инструментов [41, 170, 209]. Были также обобщены исследования фитопланктона, зоопланктона, зообенто-са и ихтиофауны. Сбор и обработка гидробиологического материала проводились по общепринятым методикам при помощи батометра системы Молчанова, сети Апштейна, мальковых орудий лова (ихтиопланктоновая сеть, волокуша, специальные ловушки, бимтрал) и классических методов.
Течение реки спокойное, слабое. Долина реки асимметрична. Правый склон крутой, левый – пологий. В геоморфологическом отношении левый берег расположен в пределах поймы и правой надпойменной террасы реки Темерник. Ширина поймы на северо-востоке достигает 190 м, в средней и южной частях она варьирует от 50 до 70 м.
В геологическом строении русла реки Темерник распространены аллювиальные отложения (русловые, пойменные, террасовые), подстилаемые образованиями сарматского яруса неогена, а также техногенные грунты. Четвертичные отложения представлены суглинками и глинами.
Согласно проведенным анализам, грунтовые воды реки Темерник по химическому составу относятся к среднеминерализованным, сульфатно-хлоридным, имеют высокое содержание аммонийного азота и антропогенное происхождение. Вода относится к группе натрия, с высоким содержанием железа и аммонийного азота, а также с высоким присутствием нефтепродуктов и взвешенных веществ и большой величиной полного БПК. Это объясняется антропогенным воздействием, так как река служит коллектором сточных вод с очистных сооружений г. Ростова-на-Дону.
Об экологическом состоянии реки Темерник, наличии в водоеме различных видов рыб и живых микроорганизмов можно судить по качеству воды в русле.
Результаты анализа взятых проб грунта, показали, что на дне русла реки Те-мерник преобладают сапропели минеральные [56], непригодные для хозяйственного использования из-за высокой степени загрязнения.
Пробы воды и донных илистых отложений из русла реки Темерник были отобраны по известным методикам в районе моста по ул. Армянской, г. Ростов-на-Дону и переданы в аккредитованную лабораторию ФГБУ ГЦАС «Ростовский» для прове 63 дения химического анализа на загрязнение тяжелыми металлами. Результаты анализов представлены в таблицах 2.1 и 2.2.
Результаты анализов показали, что вода в реке не превышает ПДК по тяжелым металлам и по рыбохозяйственным показателям, а донные отложения имеют концентрации ТМ, превышающие их содержание в речной воде на 3-4 порядка, вместе с тем не превышают значений НД. Можно констатировать, что в месте отбора проб и речная вода, и донные отложения не превышают значений по нормативным документам и не загрязнены.
В настоящее время река перегорожена мостами, переездами и другими сооружениями, препятствующими естественному стоку воды и организации промывных режимов в паводковые периоды. Как следствие, река сильно деградировала, заилилась, заросла камышом, тростником, кустарниками и мелколесьем, являющимися местом обитания кровососущих насекомых. Поверхностный сток с городской территории ежегодно транспортирует в русло десятки тысяч м3 наносов, удалить которые можно только механическим способом.
Река не имеет охранной зоны. Вплотную к ней прилегают либо садовые участки, либо промышленные предприятия. Большую часть загрязнений она получает от сброса сточных вод. Основным источником токсичных иловых накоплений являются нерегламентированные свалки мусора по долинам реки и ее притоков.
По итогам натурных исследований и заключению АзНИИРХа, воды реки Те-мерник непригодны для рыбохозяйственного и хозяйственно-питьевого использования.
Водный режим характеризуется весенним половодьем в феврале-марте и маловодной меженью в остальное время года, прерываемой редкими и слабыми дождевыми паводками. В малоснежные зимы весеннее половодье слабо выражено, а в теплые зимы проходит несколькими невысокими волнами. В отдельные годы во время интенсивного снеготаяния и ливневых дождей формируется высокое смешанное половодье. Климат бассейна реки Темерник носит континентальный характер.
Физические параметры геотекстильных контейнеров
Напорные трубы передают пульпу от насоса или земснаряда в геотекстильный контейнер и проектируются таким образом, чтобы труба работала полным сечением без заиливания. Трубы диаметром 100 мм (4 дюймовые) обычно применяют для контейнеров небольшого размера, а 150-200 мм (6-8 дюймовые) – для контейнеров с диаметром 13,5 м и выше. Трубы укладываются по возможности по прямой линии, они должны иметь минимум поворотов и Т-образных соединений, которые способствуют их засорению. Все соединительные элементы имеют тот же диаметр, что и сами трубы. Давление напорной трубы на входе в контейнер не должно превышать 40 кПа.
Для ускорения обезвоживания осадка, улучшения качества вытекающей воды, а также получения большей концентрации твердого осадка внутри трубы в большинстве проектов предусматривается использование полимеров. Полимеры можно разделить на два основных типа – флоккулянты и коагулянты. Их введение в исходную суспензию осуществляется как можно ближе к точке входа напорной трубы в геотекстильный контейнер, но на расстоянии, позволяющем полноценное смешение полимера и суспензии для образования хлопьев. Смешение может происходить различными способами, но одним из них является пропуск смеси через S-образную трубу с несколькими изгибами. В конце S-образной трубы находится кран для периодического отбора образцов смеси и последующей проверки качества смешения, хлопьеобразования и возможной корректировки дозы полимера.
В системе напорных труб нами рекомендуется установка перед геотекстильным контейнером отводной трубы, по которой можно отводить суспензию в отдельную емкость (резервуар), либо обратно к источнику до того, как она попадет в контейнер. Такая конструкция не позволит смеси ненадлежащей консистенции (при неправильной дозировке полимера) попасть в геотекстильный контейнер. Если проект рассчитан на одномерное наполнение нескольких контейнеров, предусматривается устройство разводной системы напорных труб для распределения пульпы одновременно в несколько контейнеров, либо поочередно. Для облегчения движения пульпы по трубам разводная система спроектирована с использованием Т- и Y-образных соединений.
С целью контроля за наполнением геотекстильных контейнеров на шланге разводной системы между Т-образным соединением и входным клапаном в контейнер устанавливаются пережимные вентили. Возможно использование шиберных или шаровых вентилей, однако лучше применять пережимной вентиль. После заполнения одного геотекстильного контейнера вентиль на входной напорной трубе перекрывают и открывают вентиль на входе в следующий контейнер. При помощи вентиля можно также регулировать скорость подачи пульпы, приводя ее в соответствие со скоростью обезвоживания.
На рисунке 3.1 наглядно показано отведение воды из контейнера по дренажной поверхности в траншею. Фильтрационный материал, из которого изготовлен контейнер, позволяет отделять влагу от твердых фракций. После отделения влага попадает по дренажной поверхности в траншею, которая ведет фильтрат обратно в водоем (в случае незначительного загрязнения воды), либо в отстойник.
Технология использования геотекстильных контейнеров при разработке донных отложений выгодно отличается от илохранилищ, пульпочеков и специальных площадок для размещения грунта, доставаемого из подводы, следующим: 1. Свойства ткани позволяют быстро отводить воду и задерживать твердые частицы внутри контейнера; 2. Затраты на приобретение в ходе эксплуатации запчастей и запасных фильтровальных тканей минимизированы; 3. В геотекстильных контейнерах себестоимость затрат на обезвоживание на 30-40% ниже, чем при аппаратурных процессах; 4. Геотекстильный контейнер принимает в себя все, что способен пропустить магистральный пульпопровод (камни, грубодисперсные примеси и т.п.); 5. Передозировка или недостаток кондиционирующего реагента (флоккулян-та), сбои в подаче пульпы не оказывают существенного влияния на показатели обезвоживания из-за достаточного времени пребывания осадка в контейнере; 6. Монтаж и демонтаж производственной инфраструктуры любой мощности производится в оперативном режиме; 7. Производственной площадкой служит любой спланированный участок, причем необходимость строительства капитальных сооружений отпадает; 8. Технологический процесс прост и эстетичен; 9. Возможность обезвоживания сырья или отходов по месту переработки временного складирования захоронения. Контейнеры могут быть уложены многослойно, что позволяет существенно экономить рабочее пространство; 10. Процесс обезвоживания идет безостановочно – до полного схода свободной воды – на фоне биостабилизации и геоконсолидации твердой фазы; 11. Защищенность обезвоживаемых отходов от ветровой и водной эрозии, насекомых, птиц, грызунов, а также от несанкционированного использования; 12. Защищенность окружающей среды от негативного влияния на нее токсичных обезвоженных отходов;
В современных условиях развития общества урбанизация земель приобрела глобальный характер. Сегодня на Земле становится все меньше и меньше мест, не затронутых деятельностью человека. Крупные города продолжают разрастаться, охватывая новые территории, а природная среда стремительно переходит в техно-сферную [106]. В таких условиях природные объекты утрачивают способность к самовосстановлению. Антропогенной нагрузке особенно подвержены малые реки. Протекая по урбанизированным территориям, они являются конечным звеном в аккумуляционной сети различного рода загрязнений, иными словами, значительная часть загрязнений оседает на дне их русел, что впоследствии исключает возможность использования малых рек для бытовых целей. Для обеспечения населения чистой водой и полноценного использования малых рек необходимо их постоянное восстановление, что можно осуществить только при вмешательстве в экосистему водоема.
В современных условиях плотной застройки поймы и прирусловой части повсеместно нарушается водоохранная зона водоемов, постройки нередко размещают на расстоянии не более, чем 50 м от русла реки. В сложившихся обстоятельствах остро стоит вопрос восстановления и очистки малых рек в пределах населенных пунктов и городов. Традиционные способы расчистки русел рек (механический, гидромеханический) стали неэффективными. Отсутствие свободных территорий исключает возможность их применения, поскольку складирование загрязненных донных отложений в пределах жилой зоны опасно. Транспортировка отходов на полигоны ТБО технически неосуществима, поскольку продукты расчистки рек на 90 % состоят из воды. При использовании традиционных способов перемещение донных отложений сразу после их выемки из-под воды, без предварительного обезвоживания в отвалах, не представляется возможным.
Решить подобного рода задачи при расчистке рек в условиях плотной застройки поймы возможно при помощи предложенной в работе новой технологии, с применением геотекстильных фильтрационных контейнеров. Размещение контейнеров возможно и при отсутствии больших свободных территорий. Транспортирование донных отложений в геотекстильных контейнерах возможно, как в жидком состоянии, так и после обезвоживания. Применение новой технологии позволяет уйти от нарушения земель в пределах поймы, использования тяжелой техники, а также устройств для механического обезвоживания донных отложений. Конструкция и эксплуатация контейнеров проста, для их изготовления используются технические полимерные ткани, что не нарушает экологическую обстановку и в совокупности сокращает экономические затраты на проведение расчистки русел рек.