Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ ранее проведенных геоэкологических исследований рек Ирака 8
2 Характеристика объекта и района исследований (р. Дияла, Ирак)
2.1 Физико-географическое описание района 20
2.2 Геологические и гидрогеологические условия и гидрологическая характеристика р. Дияла 21
3 Методы и организация исследований 31
3.1 Методы отбора проб воды и донных отложений 32
3.2 Аналитические методы исследований 34
3.3. Методы экологической оценки почвы и почвенных микомицетов 40
3.4 Методы биотестирования 41
3.5 Методы биоремедиации 42
3.6 Методы интегральной оценки природных сред 43
3.7 Методы обработки информации 45
4 Характеристика загрязнения воды и донных отложений реки ДиЯла 46
4.1 Химические и биохимические характеристики воды 46
4.2 Мутность и твердый сток 51
4.3 Морфологический, гранулометрический и химический состав донных отложений 52
4.4 Влияние ЖКХ на состояние природно-техногенной системы реки Дияла 55
4.5 Экологическая характеристика прибрежных почв природно-техногенной системы рекиДиала 65
4.6 Метод оценки экологической характеристики почв и донных отложений 68
4.7 Математическая модель распространения загрязнителей по руслу реки 72
5 Рекомендации по улучшению геоэкологического состояния природно-техногенной системы реки Дияла и внедрение природоохранных мероприятий 80
5.1 Обоснование программы улучшения геоэкологического состояния природно техногенной системы реки Дияла 80
5.2 Обоснование использования метода обеспечение безопасности и надёжности длительно эксплуатируемых инженерных сооружений для защиты природно-техногенной системы реки Дияла 86
5.3 Обоснование применения метода биоремедиации для защиты природно-техногеноой системы реки Дияла з
5.4 Обоснование использования алюмосиликатных активированных адсорбентов для защиты природно техногенной системы реки Дияла 100
5.5 Обоснование системы мониторинга качества природных и антропогенных сред для научного обоснования защиты природно-техногенной защиты реки Дияла 102
Выводы 111
Список использованных источников 11Q
- Физико-географическое описание района
- Аналитические методы исследований
- Мутность и твердый сток
- Обоснование использования метода обеспечение безопасности и надёжности длительно эксплуатируемых инженерных сооружений для защиты природно-техногенной системы реки Дияла
Введение к работе
Актуальность работы. Загрязнение окружающей среды в Ираке приобрело угрожающие масштабы. На территории Ирака выявлены 300 загрязненных территорий, расположенных во всех губернаторствах и представляющих угрозу всему населению страны. В рамках сотрудничества с программами ООН по защите окружающей среды в пяти обследованных районах обнаружены тяжелые металлы, обедненный уран, соединения ртути, хрома, хлора, фенола, серы, цианиды и другие опасные вещества.
Одну из наиболее важных проблем экологической безопасности территории страны представляет состояние водных объектов, систем канализации и питьевого водоснабжения. В Ираке системы очистки и распределения воды находятся в полуразрушенном состоянии.
ООН инициировало работы по исследованию территорий Ирака на предмет загрязнения окружающей среды и определения наиболее приоритетных природоохранных мероприятий в условиях сложной экономической и социальной ситуации. Данная работа является первым этапом долгосрочной программы ООН по восстановлению качества окружающей среды и обеспечению геоэкологической безопасности страны после длительного периода войн и изоляции от мирового сообщества.
Крупнейшими речными системами Ирака являются бассейны трансграничных рек Тигр и Евфрат и приток реки Тигр – река Дияла. Река Дияла не только наиболее значительный приток реки Тигр, но и важный водный источников Ирака. На берегах р. Дияла расположено большое число городов и населенных пунктов с сопутствующими экологическими проблемами.
В отношении водотоков Ирака были проведены исследования Tomlinson et al., 1980; Soares et al., 1999, Al-Lami, Al-Jaberi, 2002, Al-Rawi, 2005, Rabee et al., 2011, Al-Jebouri, Edham, 2012, Al-Bayatti et al., 2012, Al-Ani et al., 2014, Al-Obaidy et al., 2014, Al-Bahrani, 2014, Shamout, Lahn, 2015, Al-Maliki et al., 2015. Изучению водотока Дияла посвящены немногочисленные исследования на отдельных ее участках (Al-Adili, Al-Suhail, 2010, Hussein, 2010). Комплексные геоэкологические исследования в районе реки на данный момент времени не проводились. Обоснование первоочередных природоохранных мероприятий по обеспечению геоэкологической безопасности региона отсутствуют.
Актуальность работы обусловлена необходимостью обоснования комплекса природоохранных мероприятий направленных на обеспечение геоэкологической безопасности в районе реки Дияла – важной водной артерии Ирака.
Цель диссертационной работы – обосновать выбор системы природоохранных мероприятий, позволяющих обеспечить наилучшие параметры экологической безопасности на основе комплексного анализа состояния территории в районе реки Дияла.
Объектом исследования является водоток Дияла, протекающий по территории Ирака. Предметом исследования является оценка экологического состояния реки Дияла, выявление особенностей загрязнения донных отложений водотока.
Для достижения цели в работе были решены следующие основные задачи
Основные задачи исследования:
Выполнить комплексную оценку результатов антропогенного воздействия на экологическое состояние реки Дияла по показателям загрязнения водной среды, донных отложений и почвы.
-
Разработать метод интегральной оценки почвы и донных отложений водотоков для характеристики экологической ситуации.
-
Провести апробацию метода биоремедиации тяжелых металлов.
-
Научно обосновать выбор приоритетных природоохранных мероприятий для улучшения экологической ситуации природно-техногенной системы в районе реки Дияла.
Теоретической и методологической основой исследования явились литературные источники и проведенные натурные исследования. Информационную базу работы составили результаты собственных исследований проб воды, донных отложений и образцов прибрежных почв реки Дияла на шести станциях, измерения метеорологических и гидрологических параметров, расчет интегральных показателей загрязнения. Результаты исследования канализационных коллекторов. Результаты эксперимента биотестирования и биоремедиации воды реки Дияла.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- разработан алгоритм оценки экологической ситуации, включающий использование
комплекса интегральных показателей загрязнения воды, донных отложений и почвы,
позволяющий провести оценку характера антропогенного воздействия на природно-
техногенную систему и определить приоритетные природоохранных мероприятий для ее
зашиты;
разработан метод интегральной оценки почвы и донных отложений, позволяющий характеризовать уровень загрязнения с учетом токсичности загрязнителя;
научно обоснованы и выбраны точеки для организации мониторингового наблюдения с наиболее типичными характеристиками загрязнения в результате применения метода математического моделирования распространения загрязнителей по течению реки Дияла;
установлены значения выживаемости экологического тест-объекта в условиях применения бактерий Pseudomonas Aerugenosa для биоремедиации тяжелых металлов.
Теоретическая значимость работы заключается в следующем.
Подтверждена возможность применения метода интегральной оценки почвы и донных отложений (на основе использования предельно допустимого превышения и учета токсичности загрязнителей) для характеристики экологического состояния водотока. Получены новые данные об эффективности бактерий Pseudomonas Aerugenosa в процессе снижения токсичности водной среды при загрязнении ее тяжелыми металлами.
Практическая значимость исследования заключается в разработке и формулировании инструмента для проведения подобных исследований в отношении других рек Арабского региона; разработке практического приема расчета комплекса показателей для определения приоритетности природоохранных мероприятий реализуемых органами местного самоуправления и на уровне государственной власти. Результаты внедрены в проектную деятельность ООО «Институт медико-экологических проблем и оценки риска здоровью – Строительство. Проектирование» (Акт внедрения от 20.03.2017), внедрены в учебный процесс кафедры «Техносферная и экологическая безопасность» ПГУПС (акт внедрения от 14.03.2017). Решение о выдаче патента на полезную модель «Устройство для очистки поверхностных сточных вод» № 2017107316/05(012752) от 30.03.2017 г.
Методы исследования. Для решения поставленных в диссертационном исследовании задач были использованы следующие методы: теоретическое обобщение и анализ современных знаний в области загрязнения поверхностных водоисточников Ирака; физико-
химический и химический анализ проб воды, почвы и донных отложений фотокалориметрическим и атомно-абсорбционным методами на базе лаборатории университета г. Дияла; визуальное и инструментальное исследование канализационных коллекторов, статистический анализ, математический расчет и моделирование с использованием стандартного пакета программ Microsoft Excel, STADIA, Floworks Simulation.
Положения, выносимые на защиту.
1. Разработан метод интегральной оценки почвы и донных отложений основанный на
использования предельно допустимого превышения и учета токсичности загрязнителей,
позволяющий установить закономерности изменения экологической ситуации при
загрязнении тяжелыми металлами.
2. Построена математическая модель распространения загрязнителей реки Дияла,
позволяющая определить участки преимущественного загрязнения водной среды за счет
антропогенного воздействия и определить точки наиболее типичного загрязнения для
организации экологического мониторинга.
3. Реализация алгоритма комплексной оценки состояния поверхностного
водоисточника позволяет обосновать выбор приоритетных природоохранных мероприятий
для нормализации экологической ситуации природно-техногенной системы в районе р.
Дияла: использование спирально-навивочного метода санации и ремонта канализационных
коллекторов; применение бактерий Pseudomonas Aerugenosa в целях биоремедиации в
отношении тяжелых металлов (Pb, Cd, Cu); применение алюмосиликатного сорбента для
снижения концентрации металлов в сточных водах.
Достоверность и обоснованность научных положений и рекомендаций подтверждается: большим объемом экспериментальных, лабораторных, аналитических исследований; применением утвержденных методов исследования воды поверхностных водоисточников, донных отложений и почвы, современного оборудования; использованием репрезентативного объема исследований; использованием метода математического моделирования и современных методов статистической обработки результатов исследования; сопоставлением результатов экспериментальных исследований с результатами исследований других авторов.
Апробация результатов исследования. Основные положения и практические результаты диссертационной работы докладывались на XI международная научно-практическая конференция «Молодой ученый: вызовы и перспективы» (2016); III Всероссийской заочной научно-практической конференции посвященной 85-летию профессора Г.В. Селюжицкого с международным участием «Актуальные вопросы гигиены»; X Всероссийской научно-практической конференции «Наука молодых» (Арзамас 2017 г); ХХХIV Международной научно-практической интернет-конференции «Проблемы и перспективы развития науки в начале третьего тысячелетия в странах Европы и Азии» (2017г.).
Личный вклад автора заключается: в постановке цели и задач исследования, разработке плана и программы исследования, проведении анализа сведений состоянии крупных водных артерий Ирака, организации и проведении натурных исследований природных сред реки Дияла на базе лаборатории университета Дияла, в также анализе результатов натурных исследований; обработке и интерпретации полученных данных; статистической обработке и интерпретации результатов математического анализа;
формулировке выводов и практических рекомендаций, а также положений, выносимых на защиту.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, 3 из которых в изданиях, входящих в перечень рецензируемых научных журналов, рекомендованных ВАК.
Объем и структура работы. Диссертационная работа изложена на 160 страницах, содержит 5 глав, введение и заключение, список использованной литературы из 146 наименований, включает 8 приложения, 25 таблицы, 18 рисунков.
Физико-географическое описание района
Район проведения исследований расположен в пределах Месопотамской низменности в Ираке. Район исследований - часть бассейна реки Дияла - представлен на рисунок 2.1. Географические координаты объекта исследования (участка р. Дияла): N 3313 17", Е 4430 25".
Река Дияла, с истоками в Иране, является левым притоком Тигра, образована при слиянии рек Сирван и Эльвенд и большей частью расположена в Ираке в провинции Дияла. Длина реки - 231 км, площадь бассейна реки - свыше 30 тыс. км2. Верховья реки находятся в горах Загрос, низовья - на Месопотамской низменности (рисунок 2.1).
Дияла относится к рекам преимущественно дождевого питания. Наибольшее количество воды поступает в сезон зимних дождей (75%), на летний сезон приходится 25% общего стока. Средний годовой расход воды в низовьях реки составляет 130 м /с. Для реки характерно весеннее половодье, летняя межень и повышенная водность зимой. В районе исследований Диялу перекрывает Мукдадийская плотина. Воды широко используются для орошения. Размеры реки Дияла позволяют использовать ее также для судоходства. Для климатических условий Ирака характерны два сезона: продолжительное знойное лето с мая по октябрь и относительно прохладная зима с декабря по март. Средние летние температуры - 32-35 С. Максимальные температуры могут достигать 43 С и выше. Ночные летние температуры составляют 16-19 С. Осадки летом могут не выпадать в течение 4-х месяцев, в остальные месяцы теплого сезона составляют менее 15 мм. На северо-востоке в горах сравнительно прохладно, характерны эпизодические летние ливни.
Средние зимние температуры в Ираке изменяются от 4 С на севере до 10-13 С на юге. На севере случаются морозы: до -11 С зарегистрированы в Мосуле. Для зимнего периода характерны осадки. Дожди обычно начинаются в ноябре, максимальное количество характерно для конца января - начала февраля. В горах на северо-востоке для зим характерны снегопады, годовая сумма осадков превышает 1000 мм в год. Климатические характеристики района реки Дияла представлены в таблице 2.1.
Большая часть Ирака представляет собой северо-восточный край Аравийской платформы (Sissakian, Fouad, 2015) с развитыми недислоцированными осадочными отложениями фане-розойского чехла мощностью 6-7,5 тыс. м, в которых локализуются месторождения фосфоритов, железа, известняков, доломитов, глин и других нерудных строительных материалов (Карта полезных ископаемых..., 2003). Обнаружены месторождениями серы, каменной соли, рудопро 22 явлениями свинца, цинка, меди. На крайнем северо-востоке выявлены месторождения железа, свинца, цинка, рудопроявления меди, хрома, никеля, асбеста, талька (Заибель, 2010).
Горная система Загрос, сформировавшаяся около 30-50 млн. лет назад на северо-востоке территории, являлась в течение длительного периода источником продуктов эрозии, сносимых в долину в результате геологической деятельности вод и ветра (Аль-Робай Али, 2013).
Для территории Ирака характерны 3 гидрогеологические области: горно-складчатая, платформенная и центрально-месопотамская. В Центральной Месопотамии основным водоносным горизонтом являются известняки нижнего миоцена (евфратская серия) с дебитом родников 20-150 л/с (отдельные родники до 1000 л/с). Напорные воды представлены высокоминерализованными, субтермальными и термальными водами. Грунтовые воды высоко минерализованы и связаны с неогеновыми и четвертичными отложениями.
Река Дияла является одним из важных водных источников Ирака и наиболее значительных притоков реки Тигр. В связи с этим, на берегах Диалы расположено много крупных населенных пунктов с сопутствующими экологическими проблемами (коммунальными, промышленными и сельскохозяйственными стоками). Площадь бассейна составляет 32,6 тыс. км2 (А1-Adili, Al-Suhail, 2010). Бассейн реки простирается от полупустынной равнины севернее г. Багдада до горной области западного Ирана. Бассейн реки подразделяется на 4 зоны: Дербендихан, Верхняя Дияла, Средняя и Нижняя Дияла, каждая из которых имеет различный вклад в общий сток реки. Зона Дербендихан расположена в напорной области в пределах залежей Юрского возраста, тогда как Верхняя и Средняя Дияла лежат в складчатой области на меловых отложениях. Нижняя Дияла окружена главным образом молодыми аллювиальными отложениями. Основными притоками Диалы являются реки Танжеру, Сирван и Ванд.
Климатические условия - сезон дождей характерен с ноября по апрель с ежегодным объемом осадков от 800 мм (в северной части) до 250 мм в южной части бассейна реки. Под влиянием процессов выпадения осадков и испарения качество воды в р. Дияла меняется. Расположение в бассейне реки культивируемых полей и каналов также оказывает влияние на гидрохимические показатели воды в реке, изменяя соотношение основных катионов и анионов.
Несколько плотин и регулирующих сооружений на реке Дияла обслуживают системы орошаемого земледелия в исследуемом регионе (рисунок 2.2).
Плотина Дербендихан, сооруженная в 1962 году как плотина комплексного назначения в верховье Диялы, предназначена для защиты от половодья, производства электроэнергии, обеспечения поставки воды для коммунально-бытового хозяйства и для оросительных нужд. Плотина Дияла, построенная в конце 1960-х, расположена в 10 км ниже водохранилища Хемрин и в 130 км от места слияния Диялы с Тигром. Основной задачей плотины является отвод воды из водохранилища в оросительные каналы. В начале 1980-х было создано водохранилище Хемрин вместимостью более 2 млрд. м . Поток воды в него в основном образуется за счет реки Ванд, расположенной в Иране, а поверхностный сток, идущий с территории Ирака, образуется лишь в сезон дождей. (Реки Ближнего востока ...,2015).
Усредненные гидрологические характеристики р. Дияла за период измерений 1931-2011 гг. на гидропосте Дербендихан представлены в таблице 2.2. Таблица 2.2 - Характеристика бассейна р. Дияла в Ираке (Реки Ближнего востока ..., 2015 с дополнениями) Доля территории в площади бассейна Ирак - 75%, Иран - 25% Площадь бассейна, км2: Выше плотины Дебердихан Верхняя Дияла Средняя Дияла Нижняя Дияла 33 240 17 900 3 910 8 850 1440 Протяженность реки, км 574 Объем среднегодового стока, млрд. м 4,6
Плотины 4 (объем более 7 млрд. м") 1962 г.-Дербендихан 1969 г.-Дияла 1981 г. - Хемрин, 4 млн. м" Примечание: по (Hussein, 2010).
Данные по расходу воды в реке Дияла представлены в таблице 2.3. Объем стока р. Дияла ниже среднего уровня наблюдался с 1999 года, что указывает на наличие маловодья в бассейне в связи с интенсивным регулированием стока (рисунок 2.3). Хотя за период с 1931 г. по 2011 г. не было зафиксировано четкой тенденции в изменении стока. Максимальный расход реки наблюдается в апреле (рисунок 2.4), с июля по ноябрь - меженный расход.
Аналитические методы исследований
Общая щелочность воды определялась с использованием метода титрования в соответствии с ГОСТ Р 31957-2012 и зарубежными стандартами ASTM D1067-06 и ISO 9963-2:1994.
Общая щелочность характеризует сумму содержащихся в воде гидроксильных ионов (ОН") и анионов слабых кислот (карбонатов, гидрокарбонатов, силикатов, боратов, сульфитов, гидросульфитов, сульфидов, гидросульфидов, анионов гуминовых кислот, фосфатов). В большинстве природных вод преобладают карбонаты, поэтому различают гидрокарбонатную и карбонатную щелочность.
Щелочность воды определяется с использованием соляной кислоты с концентрацией 0,05 или 0,1 ммоль/л экв., используемой для нейтрализации раствора. При нейтрализации до значений рН 8,0-8,2 (определение свободной щелочности) в качестве индикатора используется фенолфталеин. При нейтрализации до рН 4,2-4,5 (определение общей щелочности) используют метиловый оранжевый. При рН = 4,5 вода имеет нулевую щелочность (Муравьев, 2004). Соединения сильных щелочей (КОН, NaOH) и летучие основания (например, NH3H2O) определяются по фенолфталеину. Слабые основания и анионы летучих и нелетучих слабых кислот (НСО3 , Н2Р04 , НРО42 , СНЗСОО , HS , анионы гуминовых кислот и др.) определяются по метилоранжу. 50 мл пробы воды тировали с использованием соляной кислоты (0,02 N) до значения рН = 4,2, в качестве индикаторов использовали фенолфталеин и метиловый оранжевый. Определение общей щелочности осуществлялось по формуле: А V 1000 где А - молярная концентрация раствора соляной кислоты; С-объем пробы (мл); V- объем соляной кислоты (мл). Определение нитратов (мг/л) в воде осуществлялось в соответствии с ГОСТ 33045-2014.
Загрязнение природных вод нитратами может быть вызвано как природными, так и антропогенными причинами. Природные причины обусловлены деятельностью бактерий, которые переводят аммонийные ионы в нитрат-ионы. Антропогенными источниками нитратов в воде являются сбросы хозяйственно-бытовых сточных вод и стоков с сельскохозяйственных полей, где используются нитратные удобрения. Повышенное содержание нитратов в поверхностных водоемах приводит к их эвтрофикации, так как азот способствует росту бактерий и водорослей. Последующее разложение биомассы водоема расходует кислород, приводя к гибели фауны водоема.
Способ определения нитратов на спектрофотометре был описан Парсонсоном и Вудом (Parsons, 1984; Wood et al., 1967) и заключается в восстановлении нитрат-ионов до нитрит-ионов. Измерения проводились на спектрофотометре UV-120-01 (длина волны 543 нм). Определение растворенных тяжелых металлов производилось методом пламенной атомной абсорбции. Многие тяжелые металлы, находящиеся в поверхностных водоемах и водотоках являются токсичными для биоты и человека. Кроме того, процессы естественного биологического самоочищения водотоков и водоемов могут нарушаться при попадании солей тяжелых металлов.
Для проведения анализа законсервированные пробы воды были доставлены в лабораторию. литр воды фильтровали через мембранный фильтр Sartorius (0,45 мкм). Фильтры промывали разбавленной азотной кислотой (0,05 мм) и дистиллированной водой и высушивали при температуре 80 С в сушильном шкафу. К взвешенному фильтрату объемом 100 мл добавляли 5 мл концентрированной соляной кислоты и оставляли на 1 час, после чего раствор фильтровали через фильтр Whattman No. (1). Затем в растворе проводились измерения хрома, свинца, меди, железа, кадмия с помощью устройства пламенной атомно-абсорбционной спектрометрии (Standard methods..., 1992). Измерения проводились на спектрофотометре АА-680 производства Shimadzu Corporation.
Показателем степени фекальных загрязнений является количество бактерий группы кишечных палочек, определяемое в1л воды (коли-индекс). Биохимические тесты при санитарно-бактериологических исследованиях воды (наличие оксидазной активности, характер ферментации глюкозы и лактозы и способность образовывать индол) являются необходимыми исследованиями качества воды (Методические указания..., 1998).
Отбор проб воды и их подготовка к анализам осуществлялись согласно ГОСТ 18963-73.
В работе были исследованы кишечная палочка (Escherichia coli ), золотистый стафилококк (Staphylococcus aureus) и синегнойная палочка (Pseudomonas aeruginosa). Для приготовления бактериального препарата 5 мл физраствора и 150 мкл закваски бактерий, выдержанных заранее в питательной среде в течение 18 часов, перемешивались для получения раствора с приблизительной концентрацией 108 клеток/мл. Затем производился подсчет живых клеток в растворе и изучение их морфологических особенностей под микроскопом.
Определение каталазной активности (способности бактерий продуцирования фермента каталазы, который переводит перекись водорода в воду и свободный кислород) проведено следующим образом. Капля перекиси водорода (3% Н2О2) наносилась непосредственно на колонию бактерий. Появление пузырьков газа указывает на положительный результат.
Оксидазный тест использовался для определения способности бактерий продуцировать фермент цитохром оксидазы - граммотрицательные бактерии Pseudomonadaceae и другие водные сапрофитные бактерии. Мембранный фильтр с бактериальной колонией переносится на фильтровальную бумагу, добавляется капля реагента (ГОСТ 18963-73). Изменение окраски бактерий до темно-фиолетового цвета в течение 10 секунд указывает на положительный результат. Эти бактерии учитываются. Тест на гидролизованный крахмал использован для определения выделения бактериями фермента гидролизованного крахмала (амилазы). Чашки с колониями бактерий инкубировали в течение 24 часов при температуре 37 С. Затем на бактериальные колонии капали раствор йода. Появление прозрачной области вокруг колонии бактерий указывает на положительный результат.
Индол-тест использован для обнаружения избытка индола, который является одним из продуктов метаболизма гистидина триптофана фекальных бактерий. В пробирки, содержащие 0,5%-ю пептонную воду, засевали исследуемые бактерии и инкубировали при температуре 37 С в течение 48 часов, затем добавляли 0,5 мл реагента. Появление красного кольца свидетельствует о положительном результате.
Мутность и твердый сток
Экологическая безопасность систем водоснабжения зависит не только от качественной и количественной оценки сбросов сточных вод в природные акватории, но и от прогнозирования дальнейшего их распространения с целью принятия организационно-управленческих решений по ликвидации последствий загрязнения.
В настоящее время для оценки распространения загрязнителей в водном потоке реки используются простые расчеты по стандартизированным методикам (Методика расчета..., 2006; Методические указания..., 1999). Однако условия выполнения данных расчетов не всегда применимы к определенному водному объекту, так как не учитывают индивидуальных параметров речных акваторий.
Для обеспечения экологической безопасности поверхностных водотоков необходима не только оценка изменения показателей качества воды и содержаний загрязнителей, но также важной задачей является оценка распространения и прогноз загрязнений реки при попадании загрязняющих веществ в водоток. Особенно значимым является такой прогноз для водоемов, являющихся источниками водоснабжения. Пространственно-временной мониторинг с использованием математического моделирования делает возможным определение фонового уровня загрязнения реки, проведение анализа источников загрязнения и последующее построение математической модели водного объекта (Кольцов и др., 2012).
Сточные воды, поступающие в р. Дияла, содержат разнообразные загрязняющие вещества, которые способны привести к негативным последствиям для здоровья проживающего рядом с рекой населения. Следовательно, оценка распространения загрязнителей по руслу реки и прогнозирование последствий попадания загрязнителей в реку, в том числе в результате аварийных ситуаций, позволит определить масштабы загрязнения реки с целью разработки мероприятий по снижению негативных последствий загрязнения.
Для определения распространения загрязнителей в акваториях успешно применяется математическое моделирование (Марчук, 1982; Дружинин, Шишкин, 1989; Вода России..., 2001; Доронина, 2003; и др.). Перенос загрязняющих примесей в воде является результатом комбинированного процесса конвекции, вызванной движением воды, молекулярной и турбулентной диффузией веществ. Русла рек характеризуются сложной геометрической формой, внутри них могут располагаться острова, которые приводят к деформации направления и скорости потока воды, ввиду чего применение аналитических решений уравнений переноса примесей невозможно. Для этих целей используются методы численного моделирования.
Модели распространения загрязнителей основаны на применении уравнений гидродинамики (расчет поля скорости течения) и уравнений переноса примесей (транспортная модель) (Численное моделирование ..., 2004). Гидродинамические модели основаны на уравнениях На-вье-Стокса и учитывают такие параметры, как геометрическая форма русла реки, наличие островов, притоков и других особенностей, которые оказывают серьезное влияние на процесс переноса примеси в реке. Для решения гидродинамических уравнений необходимо знать такие параметры, как диффузия, скорость жидкости, их изменение во времени и пространстве.
Нормативные документы определяют контрольный створ для реки на расстоянии в 500 м от источника загрязнения. Для больших рек характерна ширина примерно того же порядка. Следовательно, для больших рек пространственная модель должна быть, по крайней мере, двухмерной, а при моделировании с учетом вертикальной структуры, трехмерной (Игнатов, Кравченко, 2008).
Одной из эффективных численных моделей прогноза распространения примесей в водотоках является рассмотрение распространения загрязнителя в двухмерной постановке с учетом геометрической формы реки (Набиева, 2006; Беляев, Покутнева, 2009). Процесс расчета переноса загрязнителя в русле в данном случае рассчитывается в два этапа: 1) определение поля скорости водного потока с учетом геометрической формы русла и особенностей акватории реки, 2) решение задачи о переносе загрязнителя в потоке реки. В модели применятся метод мар 74 кирования расчетной области, позволяющий формировать любую геометрическую форму русла реки с учетом островов и других особенностей.
Трехмерные модели основаны на решении полных нестационарных трехмерных уравнений гидродинамики с учетом граничных условий на дне и свободной поверхности (Чуруксаева, Старченко, 2015; Игнатов, Кравченко, 2008). Но исследования окружающей среды на основе решения трехмерных уравнений не всегда оправданы ввиду существенного различия в масштабах происходящих процессов, значительных размеров расчетной области и сложности ее границы, привлечения большого количества сведений и допущений. Кроме того, стоимость таких расчетов слишком велика. Численные расчеты течения в реке с применением даже простейших моделей турбулентности представляют значительную вычислительную сложность.
Более простыми являются уравнения на основе уравнений мелкой воды (Роди, 1984), поэтому одномерные модели для моделирования распространения примесей остаются более актуальными. Одномерные модели могут применяться в сочетании с двумерными моделями, когда расчеты по одномерной модели служат для задания граничных условий для расчетов по двумерной или трехмерной модели (Finaud-Guyot et al., 2011).
Наиболее простыми являются одномерные модели, использующие усредненные по поперечному сечению реки характеристики скорости течения. Роль одномерных моделей наряду с двумерными также важна, так как они позволяют проводить простые аналитические исследования и применимы для качественного анализа малых рек (Петрухин, Пелиновский, 2011).
Применение одномерного моделирования может быть использовано также в отношении теплопроводности воды. Определение точности математических расчетов через измерение и расчет общей электропроводности воды в разных точках створа реки является одним из экспрессных методов оценки загрязнения. Сравнение измеренных и расчетных данных по электропроводности позволяет говорить о точности математических расчетов (Макухина и др., 2010).
Моделирование распространения загрязнителей в настоящем исследовании проводилось с использованием модуля программы Floworks Simulation, где движение и теплообмен текучей среды моделируется с помощью уравнений Навье-Стокса, описывающих в нестационарной постановке законы сохранения массы, импульса и энергии этой среды (Алямовский и др., 2008).
Система уравнений, используемая для моделирования, имеет следующий вид в рамках подхода Эйлера в декартовой системе координат ЧхЛ it ,/-1,2,3), вращающейся с угловой скоростью со вокруг оси, проходящей через ее начало:
Обоснование использования метода обеспечение безопасности и надёжности длительно эксплуатируемых инженерных сооружений для защиты природно-техногенной системы реки Дияла
При воздействии различных концентраций меди на особей карпа отмечено, что при изначальном содержании меди в воде 3 мг/л наблюдается максимальная степень удаления металла из воды - 32,45%. Снижение концентрации в мышцах карпа составило около 87% при концентрации в воде 4 мг/л.
Следоватльно, максимальный процент снижения концентраций метталлов в мышцах рыб составил 87% для меди, 67,7% для хрома и 50% для свинца.
Таким образом, выявлена закономерность снижения воздействия тяжелых металлов на организм рыб Cyprinus Carpiо в присутствии в воде бактерий P. Aerugenosa. Полученные результаты говорят о возможности использования бактерий, присутствующих в природной среде, в качестве природных же компонентов биоремедиации водоемов в связи с активным участием данного вида бактерий в биогеохимических процессах экосистемы реки.
Ранее установлено, что иммобилизация бактерий рода Pseudomonas на полипропиленовом волокне не снижает их активность. Высокая сорбционная активность полипропиленового волокна должна быть учтена при разработке биодеструкторов для биоремедиации почвенных и водных экосистем, загрязненных соединениями металлов в присутствии нефти и продуктов ее переработки.
Полученные нами данные по биоремедиационной активности бактерий P. Aerugenosa, позволяют рекомендовать их для практического использования в качестве биодеструкторов при очистке экосистем в районе р. Дияла.
Адсорбент может успешно использоваться в любой технологической системе очистки воды в качестве загрузки напорных и безнапорных фильтров при направлении фильтрации -сверху вниз.
В процессе испытаний проверялся режим с максимальной скоростью фильтрования: 5 м/ч. Модельная вода готовилась путем подачи насосом-дозатором рабочего раствора смеси солей металлов с определенной концентрацией пропорционально расходу водопроводной воды, подаваемой на адсорбент сверху вниз.
Для приготовления рабочего раствора солей металлов использовались следующие хорошо растворимые соли: марганец (II) азотнокислый 6-водный; железо (III) азотнокислое 9-водное, медь азотнокислая, свинец (II) азотнокислый, цинк азотнокислый 6-водный.
При проведении испытаний поступающая на фильтр модельная вода была близка по кати-онному составу примесей металлов характеристике реального ливневого стока, который предполагалось очищать в дальнейшем при помощи адсорбента «Петроглинт-10» методом фильтрования. Фактическая характеристика состава модельной воды представлена в таблице 5.8.
Катионы металлов,содержащиеся в ливневомстоке Фактические концентрации после приготовления модельной воды, мг/дм3 Требование к качеству фильтрата ПДК на сброс в рыб. хоз. водоём, мг/дм3
В пробах, после фильтрации через адсорбент алюмосиликатный активированный «Пет-росорб-М» обнаружены химические вещества, в том числе никель и свинец ниже предела обнаружения ( 0,002 мг/дм3), кадмий, медь, железо, марганец, цинк, хром трехвалентный, нефтепродукты в концентрациях ниже гигиенических нормативов ГН 2.1.5.1315-03 «Предельно-допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования», дополнения и изменения 1 к ГН 2.1.5.1315-03 (таблица 5.9).
Исследование эффективности работы адсорбента показало, что вода, пропущенная через адсорбент алюмосиликатный активированный «Петросорб - М» при использовании его в каче 102 стве фильтрующей загрузки напорных и безнапорных фильтров в системах очистки поверхностных, ливневых, сточных и производственных сточных вод соответствует СанПиН 2.1.5.980-00 «Гигиенические требования к охране поверхностных вод»; ГН 2.1.5.1315-03 «Предельно-допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования», дополнения и изменения 1 к ГН 2.1.5.1315-03. Гигиенические нормативы ГН 2.1.5.2280-07; ГН 2.1.5.1316-03 «Ориентировочные допустимые уровни (ОДУ) химических веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования».
5.5 Обоснование системы мониторинга качества природных и антропогенных сред для научного обоснования защиты природно-техногенной защиты реки Дияла
Система мониторинга реки Дияла должна стать пилотным проектом Иракского государственного мониторинга водных объектов в части организации и проведения наблюдений за содержанием загрязняющих веществ в воде и донных отложениях водных объектов.
При мониторинге гидрогеологические исследования направлены на изучение гидрогеохимических и гидродинамических параметров и процессов, определяющих состояние и динамику поверхностной гидросферы и непосредственно воздействующих на природную среду. Длина реки попадает в диапазон от 200 до 500 км, следовательно, водоохранная зона должна составлять 400 м.
Основными элементами системы мониторинга должны стать следующие блоки. Блок 1 «Сбор информации»; Блок 2 «Обработка информации»; Блок 3 «Анализ информации»; Блок 4 «Прогноз»; Блок 5 «Программа мероприятий»; Блок 6 «Оценка эффективности мероприятий».
Основными принципами организации и ведения мониторинга поверхностных вод и донных отложений являются: регулярность и комплексность сбора информации; информативность точек отбора проб; достаточность информации для анализа данных; использование интегральной оценки для выделения зон и участков накопления в них загрязняющих веществ; соблюдение требований обеспечении единства и достоверности измерений при анализе проб воды и донных отложений.
Задачи мониторинга: контроль уровня загрязнения реки Дияла по физико-химическим и гидробиологическим показаниям; прогноз динамики загрязнения для обоснования природоохранных мероприятий; установление закономерностей процесса накопления загрязнителей и самоочищения донных отложений; определение закономерностей выноса загрязнителей через устье рек для определения их баланса в водоеме.
Блок 1 «Сбор информации». Стационарные пункты мониторинга устанавливают на расстоянии 1000 м выше по течению до населенного пункта (фоновый) и в точках хозяйственно 103 бытового водопользования. При необходимости пункты дополняются временно-экспедиционными постами. Посты мониторинга устанавливаются на основании проведенного ранее математического моделирования распространения загрязнителей. Для получения объективной информации в створе устанавливается три вертикали - на стрежне и у берегов. На неглубоких участках реки (до 2-3 м) пробы воды на створах наблюдения отбираются с глубины 0,2-0,5 м. Пробу усредняются на месте их отбора. На участках глубиной более 5 метров отбор проб необходимо осуществлять с трех уровней (поверхностный, срединный и придонный). Отобранные пробы также усредняться на месте отбора. Точки отбора проб являются постоянными.