Введение к работе
Актуальность работы
Успешное решение проблем охраны водных ресурсов от загрязнения сточными водами в значительной степени определяется степенью достоверности информации об источниках, количестве и составе стоков, включая организованные выпуски городских, производственных и ливневых сточных вод, а также рассредоточенные поступления стоков с территорий.
Особую актуальность приобрели задачи прогнозирования качества поверхностных вод с учетом поступления стоков в связи с разработкой и реализацией федеральных экологических программ нашей страны, в том числе: федеральной целевой программы "Оздоровление экологической обстановки на реке Волге и ее притоках, восстановление и предотвращение деградации природных комплексов Волжского бассейна" ("Возрождение Волги"); федеральной целевой программы "Обеспечение населения России питьевой водой"; федеральной целевой программы "Создание единой государственной системы экологического мониторинга Российской Федерации"; государственной научно-технической программы "Экологическая безопасность России".
Учитывая трудоемкость и высокую стоимость работ, связанных с экспериментальным определением влияния различных источников загрязнения на качество природных вод, в мировой практике получили развитие математические методы моделирования процессов загрязнения и самоочищения водоемов. Отечественным ученым принадлежит приоритет в создании научных основ решения этой проблемы. Отмечая большое научное и практическое значение полученных результатов, вместе с тем следует указать на недостатки существующих методов математического моделирования, основными из которых являются: низкая точность прогноза при большой извилистости, резких изменениях ширины и глубины рек, наличии нескольких сосредоточенных выпусков стоков, а также рассредоточенного поступления стоков с территорий.
Данная работа направлена на совершенствование существующих моделей прогнозирования качества речных вод с определением предельно допустимых сбросов стоков.
Диссертационная работа выполнялась в рамках федеральной целевой про-іраммьі "Возрождение Волги" и международного российско-германского экологического проекта "Ока-Эльба" (1992-1996г.г.).
Цель исследований
Разработка методов прогнозирования качества речной воды с учетом различных источников загрязнения.
Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены следующие задачи:
проведен анализ современных методов и средств прогнозирования и контроля качества поверхностных вод;
на основе практических расчетов оценена точность существующих методов расчета качественных показателей речной воды;
проведены натурные экспериментальные исследования смешения, разбавления, самоочищения сточных вод выпуска Горьковской станции аэрации (средний суточный расход 1,0 млн. м3), реки Рахмы (средний секундный расход воды в межень 1,0 м3) с водой реки Волги (средний секундный расход воды на исследуемом участке в межень 2000 м3);
разработаны методы расчета качества воды в реке с учетом береговых выпусков сточных вод, а также смешения потоков воды рек различной загрязненности;
для проведения практических расчетов экспериментально определены значения коэффициентов a, w, Ка, и в формулах И.Д.Родзиллера, В.А. Фролова, А.В.Караушева;
проведена оценка адекватности предложенных методов расчета с разработкой практических рекомендаций по условиям их применимости.
Методика исследований
В основу натурных экспериментальных исследований положен опыт отечественных и зарубежных работ в области изучения гидродинамики русловых потоков, гидрохимии, биохимической деструкции органических загрязнений в естественных водотоках.
При разработке методов расчета качества воды рек с учетом поступления сточных вод использовались решения балансовых уравнений и уравнений конвективно-диффузионного переноса загрязняющих веществ в потоке воды. Параметризация и калибровка моделей осуществлялась на основе результатов лабораторных и натурных исследований.
Оценка адекватности предложенных методов расчета осуществлялась на основе методов математической статистики.
Научная новизна работы
-
Предложен метод расчета качества воды крупной равнинной реки с учетом реальной конфигурации русла и поступления загрязнений от сосредоточенных и рассредоточенных источников - выпусков городских, промышленных и ливневых сточных вод, а также притоков реки.
-
На основе результатов натурных исследований, проведенных автором на участке реки Волги, протяженностью 20км (от створа выпуска стоков Горьков-ской станции аэрации до створа водозаборов питьевого водоснабжения г.Кстово), определены основные гидрологические, гидрохимические и гидродинамические особенности зарегулированной равнинной реки и их влияние на процессы смешения с загрязняющими потоками воды и самоочищения.
-
Разработанный метод прогноза качества речной воды предназначен для проведения расчетов предельно допустимых сбросов загрязнений на выпусках очистных станций, выбора створов для строительства водозаборов, а также для принятия оперативных решений в чрезвычайных ситуациях - аварийные сбросы стоков городов, промышленных предприятий, речного транспорта, сельскохозяйственных объектов.
Достоверность научных положений обосновывается тем, что расчетные модели получены из общих уравнений гидродинамики и конвективно-диффузионного переноса веществ в водном потоке. Для параметризации расчетных моделей привлечены результаты экспериментальных лабораторных и натурных исследований. Точность предложенного метода подтверждается экспериментальными данными автора и других исследователей.
Практическая значимость работы
Большинство рассмотренных в диссертации вопросов было решено в связи с разработкой проектов водоохранных мероприятий, выполняемых институтом АО "Нижегородский САНТЕХПРОЕКТ", МП "ВОДОКАНАЛ"(г.Нижний Новгород), а также для решения задач по оптимизации технологических режимов Горьковской станции аэрации и станции подготовки питьевой воды г.Кстово. Метод прогнозирования качества речных вод передан Исполнительной дирекции федеральной целевой программы "Возрождение Волги" для решения широкого круга практических задач, в том числе: определения предельно допустимых сбросов стоков в реки, расчет концентраций загрязнений ниже сосредоточенных и рассредоточенных выпусков стоков, оперативное определение концентраций загрязнений в реке при аварийных ситуациях, оценка влияния вы-
пусков стоков на водозаборные сооружения систем питьевого водоснабжения и т.д.
Реализация результатов
Разработанные автором методические рекомендации и методы проведения практических расчетов по прогнозированию качественного состава речных вод с учетом поступления сточных вод используются при проведении проектных работ по техническому перевооружению водозаборных и водоочистных сооружений г.Кетово. Программы прогнозирования на ЭВМ качества речной воды используются в практической работе АО"Нижегородский САНТЕХПРОЕКТ", Всероссийским научно-исследовательским институтом гидротехники и мелиорации.
Апробация работы
Результаты диссертации докладывались на следующих конференциях и совещаниях: научно-технической конференции молодых ученых Волго-Вятского региона, г.Дзержинск, 1993г; российско-германском семинаре "Технология очистки воды", Г.Н.Новгород, 1995г.; научно-технической конференции про-фессорско - преподавательского состава Нижегородской государственной архитектурно-строительной академии, Г.Н.Новгород, 1996г.
Публикации
Основные результаты исследований опубликованы в 7 работах автора.
Объем работы
Работа состоит из введения, четырех глав, выводов и рекомендаций, библиографии из 118 наименований , включая 56 иностранных источников, и приложения. Диссертация изложена на 156 страницах машинописного текста, включает 10 рисунков, 18 таблиц и 3 приложения на 39 страницах.