Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Существующие подходы к решению проблемы обеспечения экологической безопасности морских акваторий 26
1.1. Методы определения допустимых антропогенных на грузок на морские акватории 26
1.2. Анализ и постановка задач исследований 36
Глава 2. Распространение загрязняющих веществ в масштабах локальных пятен, формируемых около сбросных устройств 41
2.1. Существующие представления о начальном разбавлении сточных вод 41
2.2. Роль начального разбавления в задачах переноса загрязняющих веществ в море 52
2.3. Параметризация задачи начального разбавления в морских акваториях s 58
2.4. Условия моделирования процесса начального разбавления 62
2.5. Описание опытных установок 65
2.6. Исследования форм растекания струй 69
2.7. Экспериментальные исследования струй с циркуляционными зонами 76
2.8. Исследование закономерностей распространения радиальной струи 79
2.9. Определение степени разбавления сточных вод в локальной области около сбросных устройств 91
2.10. Оценка погрешности измерений опытных величин 99
2.11. Натурные исследования процесса разбавления сточных вод 100
2.12, Распространение примесей от самодвижущихся источников 113
2.13. Основные результаты исследований по начальному разбавлению . 117
Глава 3. Прогнозирование распространения и деструкции загряз няющих веществ в морских акваториях 119
3.1. Задачи и проблемы моделирования качества воды 119
3.2. Моделирование течений в мелких морях 123
3.3. Параметризация характеристик турбулентности 132
3.4. Обоснование применения имитационного моделирования для системы "примесь-морская акватория» 139
3.5. Применение метода независимых случайных блужданий для прогнозирования распространения и деструкции загрязняющих веществ в морских акваторях 142
3.6. Оценка изменения качества воды в Амурском заливе с помощью численного эксперимента 150
3.7. Оценка совместного влияния дождевого и городского стоков на качество воды в Амурском заливе 160
3.8. Сопоставление результатов прогнозирования качества воды в Амурском заливе с фоновыми гидрохимическими показателями 164
3.9. Основные результаты исследований по прогнозирова нию качества воды 167
Глава 4, Интенсификация процессов снижения концентраций загрязняющих веществ в локальной области около сбросных устройств 169
4.1. Направления интенсификации смешения сточных и морских вод от стационарных источников 169
4.2 Условия перемешивания и проникновение полей за грязнения в стратифицированные потоки 177
4.3. Обращение течения в задаче движения тела под деформируемой поверхностью тангенциального разрыва 186
4.4. Описание экспериментальной установки в исследованиях эффектов обращения 195
4.5. Результаты экспериментальных исследований движения тела в жидкости и его обтекания 203
4.6. Обеспечение экологической безопасности морских акваторий при проектировании зон водопользования 225
4.7. Результаты исследований по интенсификации процессов смешения сточных и морских вод 233
Глава 5. Методика определения допустимых антропогенных нагрузок по загрязняющим веществам 235
5.1. Постановка задачи и формирование ограничений 235
5.2. Определение допустимых антропогенных нагрузок по загрязняющим веществам на примере Амурского залива 241
5.3. Последовательность применения методики определения допустимых антропогенных нагрузок по загрязняющим веществам в морских акваториях 248
Заключение 251
Список литературы 257
- Методы определения допустимых антропогенных на грузок на морские акватории
- Исследования форм растекания струй
- Оценка совместного влияния дождевого и городского стоков на качество воды в Амурском заливе
Введение к работе
Одним из основных источников существования населенных пунктов, расположенных на берегах морей и океанов, является прибрежная полоса шельфовой зоны. В настоящее время до 60% населения Земли проживает вдоль береговой линии моря. По прогнозам ООН, через 30 лет доля населения, проживающего вдоль побережья, возрастет до 75% [106]. Негативные последствия загрязнения окраинных морей и прибрежной полосы трудно переоценить. Загрязнение не только нарушает естественные процессы возобновления биологических ресурсов моря, ставит под сомнение возможность устойчивого развития регионов, но и делает небезопасным с санитарной и токсикологической точек зрения контакт человека с морской средой.
В последние годы антропогенное загрязнение стало одной из основных причин возникновения экологических кризисов в морских шельфовых зонах. До 80 - 90 % береговой линии южной части Европы омывается загрязненными водами Средиземного моря, в котором наиболее сильному эвтрофирова-нию подверглись полузамкнутые экосистемы Азовского и Черного морей, В этих экосистемах в результате избытка органических веществ пострадали многие представители флоры и фауны. Серьезные структурно - функциональные нарушения произошли в экосистеме Балтийского моря. Проблема загрязнения и эвтрофирования стала актуальной практически для всех морских экосистем Европы. Особенно ощутимы последствия загрязнения в узких прибрежных импактных зонах, где наиболее сильно проявляется влияние промышленных, бытовых, сельскохозяйственных стоков и стоков с территорий населенных пунктов [26,102].
На Дальнем Востоке многие десятилетия идет сброс неочищенных или недостаточно очищенных сточных вод в морские акватории, как правило, через неглубокие выпуски, не позволяющие обеспечивать необходимое разбавление сточных вод морскими. Если в зарубежной практике органы по охране водных ресурсов от загрязнения устанавливают требования к водопользова 12
телям на уровне возможностей новых технологий, то экстраполяция такого подхода к отечественной практике не всегда приемлема.
В России в современной практике официального определения допустимых нагрузок по загрязняющим веществам (ЗВ) используются "Методические рекомендации расчета, установления и пересмотра предельно допустимых сбросов (ПДС) веществ", разработанные Харьковским ВНИИВО в 1992 году [100]. Предельно допустимый сброс для совокупности выпусков определятся в этих рекомендациях из решения задачи математического программирования. Критерием оптимальности является минимум суммарных приведенных затрат на достижение ПДС.
Если для водотоков (рек) такой подход может быть оправданным, то для морей при условиях оговоренных в "Методических рекомендациях ", по лучить достоверный прогноз состояния загрязнения после сброса сточных вод весьма проблематично по следующим причинам. В методике не учитываются пространственно временная изменчивость морских течений, влияние граничных условий, вероятность накопления ингредиентов в областях с малой циркуляцией; предполагается, что морские течения не сопровождаются образованием циркуляционных областей, произвольно назначаются расстояние между выпусками, исключающее их взаимное влияние, и направление течений.
Обеспечение экологической безопасности морских акваторий возможно только в том случае, если основой для принятия проектных решений является достоверный прогноз распространения примеси в зависимости от той или иной совокупности параметров сброса ЗВ.
Необходимость исследований, обозначенных в названии работы и теснейшим образом связанных с проблемами прогноза, вызвана не только тем, что в настоящее время имеет место недопустимое загрязнение многих морей и побережий, а в большей мере определена тем обстоятельством, что ни один из известных инженерных способов расчета ПДС, а также ни один из методов теоретического прогноза в рамках уравнений турбулентной диффузии и в рамках имитационных методов моделирования не отражают пространственно - временных изменений гидрологических параметров в акваториях. Недоступность описания процесса изменения во времени не позволяет в свою очередь предсказывать момент наступления необратимых явлений в акватории (деградации), несмотря на то, что эта деградация в ряде случаев, таких как, например, залив Золотой Рог, является очевидной.
Сложившаяся ситуация приводит к неправильной оценке негативных последствий сбросов загрязняющих веществ в разделах «Оценка воздействия на окружающую среду» (ОВОС) и «Охрана окружающей среды» (ООС) при подготовке градостроительной документации (генпланы городов, проекты детальной планировки, проекты застройки функциональных зон, проекты развития канализаций и т.д.), документации по обоснованию концепций, программ, планов отраслевого и территориального социально-экономического развития, предпроектных обоснований инвестиций и схем комплексного использования и охраны морских акваторий. Применяемые методики определения ПДС прогнозируют ситуацию, как правило, в улучшенном виде, что служит причиной принятия в проектах решений, не обеспечивающих экологическую безопасность морских акваторий.
В названии работы введен термин «при градостроительном проектировании» не потому, что область применения работы ограничивается указанной областью. Название работы мотивируется тем обстоятельством, что уровень разработки практических рекомендаций детализирован до возможности их применения в проектах ООС (расположение очистных сооружений канализации, конструкции и длина выпусков сточных вод, необходимая степень очистки сточных вод, организация территорий городов и т.д.)
Интенсивное освоение прибрежных зон требует разработки проектной документации, в которой обеспечение экологической безопасности морских акваторий имеет доминирующе значение. Уровень знаний, достигнутых в настоящее время, в области струйных процессов разбавления в морях, в облас 14
ти математического моделирования качества воды позволяют сформулировать цель работы следующим образом.
Цель работы - разработка основ методики определения допустимых антропогенных нагрузок по загрязняющим веществам, позволяющей обеспечивать экологическую безопасность морских акваторий при градостроительном проектировании.
Основная идея работы заключается в использовании методов долгосрочного прогнозирования качества воды, закономерностей распространения примесей от струй сбросных устройств и методов оптимизации для синтеза технологии определения допустимых антропогенных нагрузок по ЗВ, минимизирующей в рамках существующих токсикологических, градостроительных и санитарных ограничений негативные последствия сбросов ЗВ в морские акватории.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Оценка влияния граничных условий на закономерности переноса примеси струями и вклада начального разбавления сточных вод в задачах моделирования распространения загрязнения в морских акваториях.
2. Синтез подхода для долгосрочного прогнозирования состояния полей примесей в морских акваториях, учитывающего пространственно-временную изменчивость адвентивного переноса загрязняющих веществ полями течений,
3. Выявление основных закономерностей проникновения через слой скачка плотности полей примесей от стационарных и движущихся источников.
4. Разработка научно-обоснованных рекомендаций по принятию проектных решений конструкций выпусков и условий сброса, интенсифицирующих процессы смешения и обеспечивающих экологическую безопасность мест водопользования морских акваторий.
5. Разработка методики расчета допустимых антропогенных нагрузок по ЗВ, формирующей дифференцированные требования к водопользователям в зависимости от последствий, вносимых каждым из них в изменение экологического состояния, и обеспечивающую экологическую безопасность морской акватории при действующих нормативных ограничениях.
Методы исследований. Исследования выполнялись с привлечением теории подобия, фундаментальных положений механики жидкости и физики, математического моделирования с помощью численных методов решения краевых задач гидродинамики, имитационного моделирования в рамках метода Монте-Карло, регрессионного анализа, экспериментальных методов и методов математической статистики.
Возможность практического применения непосредственно связана с обоснованностью и достоверностью научных положений, выводов и рекомендаций, которые обеспечиваются в предлагаемом исследовании системным комплексным подходом к решению задач. Комплексность подхода заключается в реализации при проведении исследований трех этапов: теоретические исследования, лабораторный или численный эксперимент, натурный эксперимент или использование натурных данных для верификации предлагаемых к применению моделей. Для доказательства адекватности результатов теоретических и экспериментальных исследований был использован статистически достаточный объем данных, позволяющий делать выводы о достоверности предлагаемых методов прогноза.
Научная новизна работы может быть представлена в следующих положениях.
1. Предложено теоретическое решение для определения параметров струй радиальных и с циркуляционными зонами, выявлена роль разбавления, связанного с избыточным импульсом струи сбросных устройств, в процессах распространения и деструкции примесей; установлен параметр, отделяющий формы растекания струй в ограниченном по глубине потоке.
2. Разработана имитационная модель нестационарной системы «Примесь - морская акватория», учитывающая пространственно-временную изменчивость адвективного переноса примеси и позволяющая прогнозировать характер пространственно- временных изменений степени загрязнения морских акваторий.
3. Показано теоретически и экспериментально, что при движении тела под деформируемой поверхностью тангенциального разрыва скорости отсутствует обращение течения.
4. Предложена новая модификации числа Фруда для потоков от движущихся тел, показывающая, что в поле сил тяжести автоматически переносить исследования по распространению загрязнения в стационарных течениях на течения от движущихся с постоянной скоростью источников нельзя.
5. Разработаны основы методики определения допустимых антропогенных нагрузок по ЗВ на морские акватории, позволяющие выставлять требования, дифференцированно зависящие от вклада водопользователя в загрязнение и обеспечивать экологическую безопасность морской акватории. Практическое значение работы.
1. Для морских акваторий предложен метод прогнозирования распространения загрязнения воды в локальной области около сбросных устройств и метод определения начального разбавления, учитывающий влияние свободной поверхности и слоя скачка, а также возможность образования циркуляционных зон.
2. Разработаны рекомендации для проектирования места расположения и конструкции выпусков сточных вод от стационарных и движущихся источников, предложена новая конструкция выпуска сточных вод, позволяющая без дополнительных энергетических затрат обеспечивать максимальное разбавление при минимальных размерах пятен загрязнения, сформировавшихся в процессе начального разбавления.
3. Разработаны рекомендации по обеспечению экологической безопасности при проектировании мест водопользования прибрежных вод морей.
4. Разработаны основы методики определения допустимых антропогенных нагрузок по ЗВ от совокупности источников загрязнения, использующие предложенные в работе методы прогнозирования и оптимизирующие требования к водопользователям с экологической точки зрения.
5. Выполнено прогнозирование характера изменения полей примесей в северной части Амурского залива. Показано, что в мелководной северной части залива происходит накопление консервативных примесей и фронт загрязнения перемещается к открытой части залива,
6, Основы методики определения допустимых антропогенных нагрузок по ЗВ апробированы на примере Амурского залива, результатом её применения являются рекомендации по необходимой степени очистки сточных вод и расположению проектируемых коммунальных выпусков, допустимому загрязнению дождевого стока с городских территорий и стока рек.
7. Исследования, представленные в работе, доведены до уровня использования их при проектировании планов развития территорий, генеральных планов канализации населенных пунктов, при проектировании рекреационных зон, зон санитарной охраны источников водоснабжения, при конструировании стационарных выпусков и сбросов ЗВ от движущихся источников. Разработанная имитационная модель для прогнозирования нестационарных процессов распространения ЗВ может быть использована для экологического обоснования инвестиционных проектов и планов развития побережий.
Исследования, представленные в работе, доведены до уровня использования их при проектировании планов развития территорий, генеральных планов канализации населенных пунктов, при проектировании рекреационных зон, зон санитарной охраны источников водоснабжения, при конструировании стационарных выпусков и сбросов загрязнения от движущихся источников. Однако область применения результатов работы не ограничивается градостроительными задачами. Предложенная модель прогнозирования нестационарных процессов распространения загрязнения в рамках метода блуждающих частиц, представленная в третьей главе работы, может быть использована для экологического обоснования инвестиционных проектов и планов развития побережий. Основные положения и результаты научных исследований докладывались и обсуждались на Всесоюзной конференции по проблеме «Человек и океан» (г. Владивосток, 1976 г,), на У111 Международном конгрессе по органической геохимии (Москва, 1977 г.), У Всесоюзной конференции «Мировой Океан» (г. Владивосток, 1983 г.), на научно- технической конференции Ленинградского инженерно-строительного института (г. Ленинград, 1984 г.), Всесоюзном совещании по социально-экологическим проблемам интенсивного освоения устьевых приморских регионов (г. Ростов-на-Дону, 1987 г.), на 111 научно-технической конференции по проблемам водных ресурсов Дальневосточного экономического района и Забайкалья (г. Владивосток, 1988 г,), на совещании рабочей группы Сибирского отделения Академии наук СССР «Лабораторное моделирование динамических процессов в океане» (г. Новосибирск, 1989 г.), на Всесоюзном совещании «Проблемы и пути сохранения экосистем севера Тихоокеанского региона» (г. Петропавловск-Камчатский, Ї991 г.), на международной научно-технической конференции «Экология и безопасность жизнедеятельности» (г, Владивосток, 1994 г.), на И Тихоокеанской экологической конференции (г. Владивосток, 1995 г.), на Втором Интернациональном студенческом конгрессе стран АЗИИ (г. Владивосток, 1997 г.), на Международной конференции и технической выставке «Стихия. Строительство. Безопасность» (Г. Владивосток, 1997 г.), на Международных научных чтениях «Приморские зори» в 2000 2001 годах (г, Владивосток), на 4 Международном конгрессе «Вода. Экология и технология» (г. Москва, 2000 г.). на научно- технических конференциях Дальневосточного Государственного технического университета (1980 - 2002 гг.).
Содержание диссертации представлено в 68 научных трудах, в том числе в одном учебном пособии и в двух изобретениях (авторское изобретение и патент).
В первой главе дана оценка современного состояния проблемы обеспечения экологической безопасности при охране водоемов и водотоков от загрязнения. Обеспечение экологической безопасности по данным зарубежных и отечественных источников является важной составляющей проектов освоения морских побережий. Однако в отечественной практике прогнозирование процессов распространения и трансформации примесей заменяется расчетами ПДС, которые не дают представления о состоянии и динамике загрязнения акватории при тех или иных воздействиях. Допущения применяемых методик не позволяют рассматривать акваторию как целостный природный объект, находящийся под воздействием набора антропогенных факторов, что делает невозможным выставлять требования водопользователям, обеспечивающие экологическое состояние акваторий, соответствующее действующим нормативным ограничениям.
Выполненный в первой главе анализ состояния вопроса определил постановку проблемы как необходимость проведения исследований для создания методики определения допустимых антропогенных нагрузок по ЗВ, составной частью которой должно стать обеспечение экологической безопасности мест водопользования, учитывающей значимые факторы распространения и деструкции примеси для всей акватории.
Вторая глава посвящена решению проблем распространения загрязнения в процессе начального разбавления.
Существующие способы расчета снижения концентраций примеси в струях от сбросных устройств, учитывая влияние свободной поверхности жидкости, вводят параметры, которые уменьшают величину разбавления. Струя распространяется по существующим моделям по типу «струи в сносящем потоке».
Свободная поверхность и слой скачка в морских акваториях при определенных сочетаниях обстоятельств вызывают изменение типов струи. Как показывают результаты натурных исследований ряда авторов (Абрахам, 1976 г; Земляная, Зверева, 1991г.; Черноус, 1965 г.), после сбросных устройств имеют место формы растекания в виде радиальной струи и струи с циркуляционными зонами. Основной особенностью струи с циркуляционными зонами является то, что при расширении она вовлекает по своим границам не чистую воду водоема - приёмника сточных вод, а загрязненную жидкость из самой же струи. Избыточный импульс струи при такой форме расширения погашается не за счет вовлечения чистых масс воды в струю и, как следствие, уменьшение концентраций, а за счет увеличения размеров пятна загрязнения, всплывающего из-за разности плотностей на поверхность моря.
Для определения условий перехода струй от распространения в сносящем потоке до струй с циркуляционными зонами использован анализ размерностей, при помощи которого был сформирован дополнительный безразмерный параметр. Пороговое значение этого параметра, отделяющее формы растекания струй и зависящее от плотностных чисел Фруда определено экспериментально на установках двух разных масштабов.
Теоретическое решение для радиальной струи, подтвержденное опытными данными, получено на основе закона сохранения импульса, переход к расчетным параметрам струи с циркуляционными зонами осуществлен с помощью экспериментально полученных коэффициентов.
Оценка роли начального разбавления представлена через связь размеров пятна загрязнения, сформированного в конце начального разбавления с величиной полного разбавления на некотором заданном расстоянии. Для анализа использовалось решение Брукса для протяженного источника. Результаты оценки роли начального разбавления показали, что распространение струи с циркуляционными зонами является крайне негативным фактором, ответственным за образование на поверхности мелкого моря плавучего пятна сточной жидкости.
Полученные в результате исследований зависимости подтверждены лабораторным и натурным экспериментами.
Во второй главе рассматриваются некоторые проблемы выпусков от средств водного транспорта. Полагается, что распространение примесей здесь может происходить как с потоками вызванных скоростей, провоцируемыми обтеканием тела, так и со струями от движителя, имеющими нулевой импульс. В работе дается описание поля скорости и связанного с ним поля примеси для струй с нулевым импульсом.
В первой главе также показано, что проведенные исследования по начальному разбавлению явились расширением известных способов определения начального разбавления в область влияния свободной поверхности или слоя скачка, если последний несет функции поверхности тангенциального разрыва. При увеличении глубины моря, предложенные зависимости дают результаты близкие к результатам расчета Н.Н, Лаптева и Рама -Цедервала.
В третьей главе даются результаты исследований по прогнозированию качества воды в морских акваториях.
Вначале формулируются проблемы моделирования распространения примесей, и делается обоснование целесообразности применения имитационного моделирования в рамках метода блуждающих частиц.
Задача моделирования распространения примесей решается путем расщепления процесса на адвективный перенос и турбулентную диффузию. Для описания адвективного переноса используются уравнения движения мелкой воды Фельзенбаума, предлагается схема численной аппроксимации задачи, условия устойчивости и сходимости. Дается оценка возможных отклонений результатов численного расчета от результатов аналитического в зависимости от принятого количества итераций.
Большое внимание уделяется параметризации процесса. Поскольку предлагаемый подход был апробирован на примере северной части Амурского залива, который является мелким морем, то приводятся результаты исследований автора и авторов других работ по определению коэффициентов турбулентной диффузии в мелких акваториях. Делается вывод о возможности моделирования процессов турбулентного переноса в мелких акваториях уравнениями, соответствующими частотному спектру Рейнольдса. В отношении интегральных масштабов турбулентности и порядка пульсационных составляющих привлекаются данные по русловым процессам. В результате анализа для имитационной модели принимаются среднеквадратичные отклонения скоростей, интегральные временные и пространственные масштабы, не противоречащие экспериментальным данным, полученным по методике Ричардсона-Стоммела.
Для прогнозирования качества воды разработана модификация метода блуждающих частиц, имеющая экономичный алгоритм описания турбулентных перемещений частиц. Этот алгоритм и его численная аппроксимация позволяют на обычном персональном компьютере достаточно быстро получать результаты долгосрочного прогноза пространственно-временной изменчивости экологического состояния акватории. В разработанной модели основную ответственность за адвекцию несут ветровые напряжения, которые принимаются переменными. Последовательно внутри года реализуются сценарии ветровых течений, соответствующие метеорологическим характеристикам рассматриваемого района.
Для оценки изменения качества воды в Амурском заливе рассматривались внутри года девять метеорологических ситуаций, соответствующих ст. Владивосток. Результаты моделирования показали, что для консервативной примеси, распространяющейся в Амурском заливе, стационарное состояние недостижимо. Для объема и состава сточных вод, сбрасываемых через городские выпуски в настоящее время, фронт загрязнения перемещается к открытой части залива со скоростью 0,5 км в год, а концентрация по взвешенным веществам в мелководной северной части залива увеличивается на 10,5 мг/л в год.
Прогнозирование качества воды выполнялось также для случая совместного действия существующих стационарных источников и загрязнения, поступающих от дождевого стока. Результаты моделирования показали, что дождевой сток несет основную ответственность за заиление дна залива.
В четвертой главе были сделаны обобщения теоретических и экспериментальных исследований, проведенных в работе, для решения проблем проектирования рациональных с экологической точки зрения выпусков сточных вод. Основной целью разрабатываемых рекомендаций была интенсификация процессов снижения концентраций ЗВ и обеспечение экологической безопасности мест водопользования прибрежных вод морей.
Увеличение степени разбавления происходит при рациональных конструкции выпуска, места и глубины его размещения и гидравлических параметрах струи сбросного устройства, исключающих образование циркуляционных зон.
Особое внимание уделялось решению задачи предотвращения образования плавучих пятен сточной жидкости на поверхности водоема. Для решения последней задачи был сделан анализ существующих критериев вовлечения в движение многослойных стратифицированных жидкостей. Учитывая необходимость затопления примесей, сбрасываемых движущимися транспортными средствами в прибрежных акваториях, была исследована проблема устойчивости границы тангенциального разрыва скорости при движении и обтекании тела.
Весьма важным с теоретической и практической точек зрения явился результат об отсутствии обращения движения при обтекании и движении тела под поверхностью тангенциального разрыва скорости в нерелятивистском приближении. Следствием этого результата стало появление нового дополнительного условия нарушения устойчивости поверхности раздела при движении тела под или над этой поверхностью. Использование полученного условия в свою очередь позволило разработать рекомендации по затоплению полей примеси от движущихся источников.
Для обеспечения экологической безопасности мест водопользования использовались результаты прогнозирования распространения ЗВ от стационарных источников, разработанные во второй и третьей главах данной работы, а также процедура определения концентрации примеси от движущихся источников. В последнем случае применялись результаты исследований по условиям нарушения устойчивости поверхности раздела разно плотностных слоев в море.
В пятой главе была разработана методика определения допустимых антропогенных нагрузок по ЗВ на морские акватории для генеральных планов развития территорий, населенных пунктов и планов развития канализаций.
При разработке методики использовался численный эксперимент, по прогнозу распространения примесей, и регрессионный анализ для поиска экстремальных значений при заданных ограничениях. Функциями отклика, на основе которых был построен функционал, являлись концентрации примесей, сформировавшиеся после того или иного количества сброшенных ЗВ городских, дождевых сточных вод, стоков от водных транспортных средств и речного стока. Допустимыми считались условия, при которых характеристики морской воды отвечали после сброса сточных вод действующим санитарным, токсикологическим и ограничениям в местах водопользования в любой точке акватории.
Численные эксперименты позволили получить зависимость концентрации примеси от условий сброса загрязнения (место сброса, количество). При этом количество функций отклика (в частном случае уравнений регрессии) определялось или количеством выпусков или количеством областей высоких концентраций. Кроме ограничений по ПДК, оптимизационная задача предполагала возможность введения условия минимума приведенных затрат.
Методика была апробирована на примере Амурского залива. Представление акватории как единой системы для приема антропогенных сбросов потребовало боле жестких условий по очистке сточных вод. В частности, в Амурский залив консервативные вещества можно сбрасывать только с концентрациями, равными ПДК. Значение БПКз для очистных сооружений Де Фриза должно быть не выше 7,8 мг/л, а для очистных Второй Речки не выше 8,8 мг/л. Дождевые воды по взвешенным веществам могут быть приняты в залив только с ПДК, по БПК5 вклад дождевых вод в загрязнение залива не значителен.
В заключении сформулированы основные результаты исследований. Основным итогом выполненных исследований является разработка методики определения допустимых антропогенных нагрузок по ЗВ, обеспечивающей экологическую безопасность морских акваторий при градостроительном проектировании. Методика позволяет рассчитывать ПДС от выпусков сточных вод, формировать требования по качеству воды к дождевому и речному стокам, выставлять ограничения для источников загрязнения мест водопользования.
В работе представлены теоретические положения по переносу примесей струями с избыточным импульсом в морских акваториях, сделана теоретическая оценка роли начального разбавления в процессах распространения примеси, синтезирован в рамках метода Монте-Карло имитационный подход, численно моделирующий пространственно- временную изменчивость полей примесей в морских акваториях. Теоретически и экспериментально доказано отсутствие обращение в задачах движения тела по деформируемой границей тангенциального разрыва, позволившие получить дополнительное условие для решения проблем затопления плавучих пятен сточной жидкости и повышающее уровень достоверности прогноза распространения примеси от движущихся источников. Разработана не имеющая аналогов методика определения допустимых антропогенных нагрузок по ЗВ, позволяющая рассматривать морские акватории как объекты, используемые несколькими водопользователями, и выставлять последним дифференцированные требования по допустимым количествам сбрасываемых загрязняющих веществ.
Результаты работы дают возможность научно обоснованно решать при проектировании проблемы использования морских акваторий для хозяйственной деятельности, исключая прогрессирующее загрязнение водоема и его экологическую деградацию.
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка используемой литературы из 270 наименований, содержит 278 страниц машинописного текста, включая 77 иллюстраций, 9 таблиц и 34страницы приложений. Автор выражает глубокую признательность соавторам, принимающим участие в исследованиях, нашедших отражение в диссертации:
Зверева В.А. - проведение экспериментальных исследований по начальному разбавлению плавучих турбулентных струй в лаборатории гидравлики ДВГТУ (ДВПИ им. В.В. Куйбышева) и на установке в г. Нарве, проведение натурных исследований распространения струй на поверхности моря;
Елшин К.Н. - проведение натурных экспериментальных исследований по определению коэффициентов турбулентной диффузии;
Ляхов В.Н. - составление программ расчета ветровых течений и распространения примесей в рамках метода блуждающих частиц на языке СИ;
Савельева Н.И. - численный расчет распространения загрязнения, поступающего в море с дождевыми стоками, в рамках уравнений турбулентной диффузии;
Гореликов А.И, Борисов С. В. - изготовление экспериментальной установки для изучения эффектов обращения;
Бобылев Б.К. - изготовление системы записи колебаний свободной поверхности с механотронным преобразователем.
Методы определения допустимых антропогенных на грузок на морские акватории
Быстрый рост населения побережья увеличивает антропогенное воздействие на морские акватории, является причиной их загрязнения и порождает конфликтные ситуации при принятии решении по использованию ресурсов. Многоцелевое использование морских акваторий и условия устойчивого развития делают необходимыми рациональное и экологически обоснованное планирование строительства в прибрежной зоне [96,126], которое невозможно без разработки комплексных проектов, обеспечивающих экологическую безопасность использования морских и береговых районов [40].
В последние годы антропогенное загрязнение стало одной из основных причин возникновения экологических кризисов в морских шельфовых зонах. До 80 - 90 % береговой линии южной части Европы омывается загрязненными водами Средиземного моря, в котором наиболее сильному эвтрофирова-нию подверглись полузамкнутые экосистемы Азовского и Черного морей. В этих экосистемах в результате избытка органических веществ пострадали многие представители флоры и фауны. Серьезные структурно - функциональные нарушения произошли в экосистеме Балтийского моря. Проблема загрязнения и эвтрофирования стала актуальной практически для всех морских экосистем Европы. Особенно ощутимы последствия загрязнения в узких прибрежных импактных зонах, где наиболее сильно проявляется влияние промышленных, бытовых, сельскохозяйственных стоков и поверхностных стоков с территорий населенных пунктов [102].
Комплексному, системному подходу в использовании морских акваторий в последние десятилетия уделяют все большее внимание, как правительственные институты разных стран, так и исследователи ряда научных направлений. Парламентская ассамблея Совета Европы в своем докладе «Океаны: Состояние морской среды и новые тенденции в международном морском законодательстве» отмечает существование потенциальной опасности недопустимого загрязнения прибрежных вод. Среди мероприятий, направленных на предотвращение загрязнения, отмечается необходимость адекватной оценки антропогенных воздействий на морские экосистемы [193] и необходимость добиваться баланса интересов в прибрежных зонах с учетом экологических требований [264].
Во всех национальных программах развития прибрежной зоны одной из главных составляющих является предотвращение загрязнения морских вод [41, 160, 187, 188, 213, 215, 235, 239, 265, 268]. Непропорциональное, плохо спланированное развитие, отсутствие комплексного планирования и проектирования приводят к деградации окружающей среды и истощению ресурсов многих прибрежных ареалов, что сопровождается обострением конфликтов между заинтересованными сторонами [192]. Необходимость очистки жидких отходов, сельскохозяйственных стоков, нефтесодержащих сточных вод, предотвращение сбросов радиоактивных веществ и других поллютантов особо остро обсуждается для акваторий, на берегах которых сосредоточены крупные населенные пункты [26, 172, 181, 226, 231, 258] или загрязняющие вещества попадают со стоком рек [240, 263].
Экологические проблемы трансграничны, крупномасштабные проекты уже не могут быть компетенцией отдельных государств. Проблема охраны побережий от загрязнения получила в последние десятилетия XX века расширение и стала межгосударственной проблемой охраны и предотвращения экологической деградации шельфовой зоны океана, внутренних и окраинных морей.
Известны действия Российско - Японского сотрудничества по безопасному захоронению жидких радиоактивных отходов на Дальнем Востоке[217, 246, 270], созданы в рамках Европейского сообщества комиссии по Северному морю [251], «Конференция периферийных морских регионов Европы: межрегиональная солидарность» (The CPMR: Interregional solidarity) [203], «Европейский союз охраны побережья и Зеленые острова - 2000» (EUCC and GREEN Islands 2000) [243]. Исследуются состояние побережья и загрязнение морских вод в Западной Азии и Северной Африке [215, 245]. Создан координационный план по защите от загрязнения Южно - Китайского моря [262].
Усилия многих стран Европы направлены на охрану от загрязнения и восстановление природных экосистем Балтийского и Черного морей [148, 194, 196, 218, 225, 267]. Для координации действий по защите Черного моря под эгидой ООН создан "План действий по Черному морю", антропогенные нагрузки на которое позволяют авторам исследований делать заголовки: «Черное море: угроза природе и цивилизации» [223].
В мировой практике имеются положительные примеры реализации комплексных проектов по охране морских вод [202, 241, 260]. Все, указанные в работах [202, 241, 260,] мероприятия, были выполнены в рамках системных подходов, потребовали объединения усилий специалистов разных направлений и целевого финансирования. Так, в Австралии были выделены средства на ряд проектов: определение допустимых антропогенных нагрузок в море, разработка новых технологий в области обезвреживания отходов, восстановление загрязненных участков моря. На программу охраны морских видов было выделено 8 млн. долл. [202]. Исследования работы [260] показали, что реализация проектов по улучшению качества воды дает положительные результаты в самых неблагоприятных промышленных районах.
Для градостроительной документации разрабатываются проекты «Оценка воздействия на окружающую среду» (ОВОС) на стадии обоснования инвестиционных проектов, генеральных планов городов, генеральных планов развития инфраструктуры, проектов и схем детальной планировки и «Охрана окружающей среды» (ООС) в проекте строительства. В указанной документации обязательным разделом является прогнозирование воздействия на окружающую среду сбросов ЗВ и охрана поверхностных вод от истощения и загрязнения [120]. Поскольку для открытых морских акваторий истощение вод не имеет место, то предотвращение загрязнения является доминирующей задачей обеспечения их экологической безопасности.
Охрана морских акваторий от загрязнения в предлагаемой работе решается путем управления деятельностью водопользователей, осуществляющих техногенные сбросы. Понятие управления деятельностью водопользователей интерпретируется по аналоги с работой [126]: «В условиях перехода к рыночным отношениям управление деятельностью природ пользователей должно осуществляться в основном через систему регламентации режимов природопользования, которые устанавливается территориальными органами МПР и Госкомэкологии России. На этих регламентациях должен базироваться экономический механизм управления природопользователями и экологическая экспертиза» (Протасов, 2001 г.).
Требования к водопользователям могут быть разного рода, такие как максимально допустимое количество сбрасываемых в водный объект сточных вод различного происхождения, их необходимая степень очистки и места сброса, длина и глубина стационарных выпусков, конструкция выпуска сточных вод, допустимое количество поллютантов от движущихся источников, допустимое количество загрязнения, поступающего со стоком рек, выпадающего с атмосферными осадками и т.д.
В работах [43, 152] делается акцент на системных принципах принятия решений по регулированию качества окружающей среды и подчеркивается важность математического моделирования как инструмента для построения различных сценариев развития экологической ситуации в регионе.
В существующей официальной практике расчета допустимой нагрузки на водоемы и водотоки по тому или иному загрязнению применяют понятие предельно допустимого сброса (ПДС), под которым понимают количество примесей в единицу времени, допустимую к сбросу в водоем от данного источника загрязнения.
Применение в названии предлагаемой работы термина «обеспечение экологической безопасности » связано, прежде всего, с тем, что её цель и задачи, с одной стороны, решают проблемы прогнозирования качества воды в акватории и расчета ПДС от совокупности источников, с другой, направлены на разработку технических рекомендаций по конструированию выпусков сточных вод, рекомендаций по предотвращению образования плавучих пятен поллютантов, по организации сброса от движущихся источников, по организации территорий и на разработку требований к другим водопользователям, принимающим участие в совокупном загрязнении моря.
В настоящее время обычной считается практика приема всех технологических сбросов в водные объекты. Сложность решения проблемы обеспечения экологической безопасности при этом заключается в том, что в один водоем или водоток поступают поллютанты от многочисленных источников разного рода, воздействие которых и требования к которым должны быть сформулированы дифференцированно в зависимости от вклада данного источника в загрязнение водного объекта.
Необходимость дифференцированного подхода представляется априори целесообразной. Однако можно привести сколько угодно примеров, когда мощный источник загрязнения делает обстановку в водном объекте экологически недопустимой. Тогда при расчете ПДС для малого, вновь появляющегося источника, существующая процедура принятия решений потребует очистки сточных вод до предельно- допустимых концентраций (ПДК), так как фоновые концентрации примесей в водоеме близки по значениям к ПДК. Для малого предприятия, например для рыбокомбината, требования очистки до ПДК могут оказаться нереальными и, более того, такие требования в представленной ситуации выставлять этому предприятию бессмысленно, так как уровень загрязнения водоема определяется другим, более мощным выпуском. В описанной ситуации должна быть сделана оценка вклада каждого источника загрязнения в экологическое состояние водоема и каждому источнику должны быть выставлены дифференцированные требования в зависимости от этого вклада.
Исследования форм растекания струй
Анализ данных литературных источников и натурные наблюдения позволили выделить четыре формы растекания струи с учетом влияния свободной поверхности. Эти формы показаны на рис. 2.8. В данной главе была поставлена цель найти значения параметров S и Frp, характеризующие каждую из показанных на рис. 2.8 схем растекания.
Экспериментальные исследования выполнялись по следующей схеме. Жидкость, имитирующая сточную воду, подкрашивалась чернилами и выпускалась из оголовка 6 (рис. 2.5) в лоток со сносящим потоком, поступающим через треугольный водослив 3 из бака 2. С помощью жалюзи, имеющихся в конце лотка, устанавливалась постоянная глубина сносящего потока Не при заданном расходе Qe. Стеклянные стенки лотка, подкрашивание струи и сильная подсветка давали возможность определить реальную картину растекания струи, которая классифицировалась в соответствии с представлениями о растекании, показанными на рис. 2.8.
При проведении экспериментов измерялся расход сносящего потока, его глубина, расход qa из насадки 6, температура сносящего потока te, температура струи на выходе из оголовка ta.
Всего было выполнено четыре серии экспериментов. Первая серия проводилась для неплавучих турбулентных струй в лаборатории гидравлики ДВПИ на установке, представленной на рис 2.5. Эксперименты проводились при следующих условиях: выпуск вертикальный (в - 90); разность плотностей струи и сносящего потока отсутствует (р0 = pj; диаметр оголовка da— 0,9; 1,3; 3,0 см; глубина воды в лотке изменялась в пределах 26,2- 17,0 см, расход сносящего потока Qe = 4,65-11,0 л/с; расход жидкости, вытекающей из оголовка выпуска q0 = 0,034-0,095 л/с; Rem = 6628-15463; Re0 = 4160-13230; Fr = 2,6 - 25; co/d0= 17,5—77,5. Поскольку по числам Re имела место автомо-дельность, а влияние архимедовых сил отсутствовало, то искомой величиной оставался только параметр 5, определяемый по зависимости
В опытах фиксировались все вышеназванные значения факторов и форма растекания струи.
Исследования первой серии экспериментов показали, что в основу про 71 ведения опытов была положена правильная идеология. В частности, переход от схемы "а" к схемам "б", "в" и "г" (рис. 2.8) для турбулентных неплавучих струй происходит при S = Sp= 1,15 (рис. 2.9) и практически не зависит от динамического числа Фруда (Fr), при его значениях больших 20.
Во второй серии экспериментов, проведенной также в ДВПИ, учитывались силы Архимеда, р0 ре: При этом в = 90; d0= 0,9; 1,3; 3,0 см; Не = 19,2 15,0 см; Qe = 2,26-7,45 л/с; q0= 0,025-0,182 л/с; Ree= 5014-10858; Re0 = 4014—22743; Frp= 0,62-827. Разность плотностей достигалось нагревом жидкости, имитирующей стоки, в пределах 40-86; (o/da = 18,7-74,1.
Во второй и последующих сериях была изменена тактика проведения экспериментов. Как было показано выше, экспериментальная установка была смонтирована таким образом, что хорошо визуализировалось положение струи. Было введено понятие переходного режима от схемы "а" к схеме "б" и в опытах определялись условия, характерные для перехода, и значения параметра Sp. Основным признаком переходного режима было появление на поверхности первых слабых радиальных течений, связанных с выходом струи на эту поверхность.
Третья серия экспериментов выполнена на полигоне теплового моделирования АЭС и ТЭС ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева в г. Нарва (Эстония). Выпуск выполнялся вертикальным (в = 90); р0 ре; d0 = 1,0; 1,5; 2,7; 2,8; 3,0; 5,1 см; Яс = 22,8-71,4 см; Qe=U ,2-45,6 л/с; q0 = ОД 6-1,40 л/с; #ее= 10988-51205; Re0 = 8870-81315; b/d0= 43,0-130,0; Frp = 1,12-736. Температура жидкости, имитирующей стоки, изменялась от 18 до 84.
В четвертой серии экспериментов, проведенном также на полигоне г. Нарвы, ставилась цель определить влияние угла наклона на значение величины. Условия этой серии: ра= ре ; d0 = 2,8; 5,1 см; в= 13; 30; 45; 60; 75; Не = 41,0-68,8 см, Qe= 44,0-46,7 л/с; q0= 0,17-0,36 л/с; Ree= 25841-27491; Re0= 7728-16492; o/do= 43,9-137. Значение параметра S изменялось в пределах 0,86-6,10; = 0,62-827.
Результаты экспериментов второй и третьей серии представлены на рис.2.10 в координатах Sp, Frp.
Графическая зависимость Sp может быть аппроксимирована уравнением вида
Анализ результатов экспериментов приводит к следующим выводам: 1) при Frp 20 величина $р практически не зависит от плотностного числа Фруда, и соответствует значению Sp, характерному для турбулентных неплавучих струй;
1) плотностное число оказывает влияние на величину параметра Sp при Frp 20;
2) при значениях чисел Frp 7 резко увеличивается тенденция струи к образованию радиальных потоков и циркуляционных зон.
Оценка совместного влияния дождевого и городского стоков на качество воды в Амурском заливе
Высокая загрязненность дождевого стока стала очевидной после выхода в свет ряда работ, посвященных этой проблеме [27, 71, 89, 104]. В частности, систематические исследования загрязненности поверхностных сточных вод были проведены в Волгограде [71]. В результате исследований [71] было выявлено высокое содержание ионов тяжелых металлов, как в талом, так и дождевом стоках.
В нашей работе [58, 59] был выполнен прогноз распространения взвешенных веществ и БПК от стационарного и нестационарного источников, действующих вдоль восточного берега залива. Расчеты были выполнены в рамках уравнений турбулентной диффузии, учитывался сток рек, течения моделировались линейными нестационарными уравнениями мелкой воды [25]. Дождевой сток соответствовал площади городской застройки и принимался равномерно распределенным по береговой черте, расположенной в пределах этой застройки.
Скорости оседания частиц Wg рассчитывались по формуле Стокса где R - радиус частицы; ц - динамическая вязкость; р$ ире- плотность частиц взвеси и воды соответственно.
На рис 3.13 показана динамика изменения загрязненности акватории по взвешенным веществам на первые, вторые, третьи и четвертые сутки после окончания действия источника. Расчет выполнялся на дождь 26 минутной продолжительности при периоде повторяемости, равном одному году.
Поле течения было сформировано северным ветром со скоростью 6,5 м/с. Состав сточных вод принимался по аналогии с составом поверхностного стока г. Волгограда [71], как наиболее последовательно изученного.
Концентрация по взвешенным веществам принималась равной 1570 мг/л, по БПК20 - 174мг/л. Рис. 3.13 показывает, что загрязнение, вызванное сбросом поверхностных сточных вод, является недопустимым. Концентрации загрязнения превышают в береговой черте ПДК в первые сутки в тысячи раз, на четвертые - в десятки, основная масса загрязнения аккумулируется в прибрежной зоне.
Исследование состава дождевого стока г. Владивостока было предпринято автором в 1996 г. Пробы были взяты из двух дождевых коллекторов. Первый бассейн располагался в центре города (коллектор дождевой сети по ул. Уборевича и Корабельной набережной). Общая площадь этого бассейна составляла 9,25 га при среднем значении степени озеленения 30,4%.
Второй бассейн располагался по ул. Русская и Кутузова в районе Второй Речки с выпуском по ул. Кутузова.
Общая площадь второго бассейна составляла 12,78 га при среднем значении озеленения 49%. В табл. 3.2. показаны результаты этих исследований. Концентрации загрязнения в пробах, взятых в разное время, значительно разнятся между собой. Причина лежит, вероятно, в том, что пробы отбирались в разные фазы дождя. Проба в июле отбиралась, когда дождь заканчивался, проба в августе отбиралась в середине дождя. Известно, что показатели дождевого стока зависят от многих факторов, таких как продолжительность дождя, его интенсивность, состояние городских поверхностей, степень озеленения и состояние дождевой канализации.
Присутствие в дождевом стоке г. Владивостока значительных концентраций аммонийного азота и фосфатов свидетельствуют о большой транспортной нагрузке и загрязнении территорий бытовыми отходами [33].
Систематическое изучение характеристик дождевого стока не входило в задачи наших исследований, а данные табл. 3.2 м являются частным случаем, подтверждающим непротиворечивость данных по г. Владивостоку по отношению к другим городам России. При необходимости задания показателей дождевого стока для моделирования состояния морских акваторий в предлагаемой работе использовались данные работ [71, 104], обобщающие исследования ЛНИИ АКХ, ЦНИИКИВР, ВНИИВО и МИСИ. Кроме указанных выше концентраций по взвешенным веществам и БПК, принимались концентрации нефтепродуктов - 3,0 мг/л, цинка - 0,04 мг/л., меди - 0,025мг/л.
В приложениях 1.23 и 1.24 показаны результаты прогноза на год по взвешенным веществам и БПК5. В этих приложения получены результаты для совместного сброса городских сточных вод и дождевых. Годовой расход дождевого стока Qr рассчитывался по формуле [ 104] слой годовых осадков, для г. Владивостока Ну = 742 мм [158]; р =
0.35 - коэффициент годового стока, принимаемый по работе [104]; F - площадь водосбора дождевого стока, сбрасываемого с городской территории в Амурский залив, F = 2800 га.
Сопоставление данных приложения 1.23 с данными приложения 1.11 иллюстрирует существенный вклад дождевого стока в загрязнение залива. Концентрации взвешенных веществ в прибрежной полосе восточного берега выросли в 2-15 раз, в северной части залива - до 4 раз.
