Введение к работе
Актуальность проблемы. Развитие территориально-производственных комплексов (ТПК) структурно порождает развитие промышленного, транспортного, пищевого и других производств. В свою очередь, промышленное производство в условиях превалирования экономических законов над экологической безопасностью вызывает расширение и интенсификацию загрязнения геосфер Земли. Источниками загрязнения стали практически все промышленные предприятия, транспорт, зоны отдыха, крупные сельскохозяйственные и животноводческие комплексы. Наиболее подвержена антропогенному воздействию гидросфера Земли, где техногенное воздействие может сказываться как за счет прямого загрязнения промышленными, коммунальными, поверхностными стоками, загрязнения нефтью и нефтепродуктами, которое стало обычным явлением для мест их хранения и продажи (нефтебазы, автозаправочные станции и т.д.), так и за счет вторичного комплекса загрязнений гидросферы, формирующегося на основе загрязняющих веществ, которые содержатся в атмосферных осадках. Атмосферный массоперенос загрязняющих компонентов характерен не только для выбросов отдельных промышленных предприятий. Его особенностью является массоперенос загрязняющих компонентов от региональных и глобальных источников загрязнения природной среды. В связи с этим необходим системный подход к изучению развития природно-техногенных процессов в природно-технических системах (ПТС) ТПК.
Недостаточно освещены в специальной литературе и вопросы учета опыта эксплуатации существующих месторождений подземных вод и оптимизации их работы с учетом данных мониторинга природно-техногенных процессов. Изменения, происходящие в нарушенных природных системах в результате техногенного воздействия, затрагивают не только их самих, но и внешние системы. Процессы, происходящие в таких системах, характеризуют качественно новые связи между ними, и их недооценка может приводить к неверным решениям в сфере управления этими процессами.
Таким образом, для оптимизации природно-техногенных процессов в нарушенных природных системах в условиях интенсивного освоения природных ресурсов была предложена новая методология ситуационного управления качеством состояния гидросферы ТПК, которая потребовала системного подхода к их изучению, создания новых методик и алгоритмов, а также разработанной на их основе концепции оптимально-максимального использования ресурсов природной среды с целью рациональной и эффективной эксплуатации природных месторождений.
Цель pаботы - разработка теории и методов управления качеством гидросферы на базе рационального использования природных ресурсов для устойчивого развития территориально-производственных комплексов и обеспечения населения питьевой водой требуемого качества.
Для реализации цели диссертационной работы необходимо решить следующие задачи:
-
разработать методологию квантификации ПТС ТПК на базе системного анализа географических, геологических, гидрологических, гидрогеологических и геоэкологических характеристик ПТС ТПК, как основы для ситуационного управления качеством состояния гидросферы;
-
обобщить и систематизировать данные геоэкологического мониторинга за уровнем подземных вод, химическим составом поверхностных вод Воронежского водохранилища и подземных вод в наблюдательных и эксплуатационных скважинах ВПВ г.Воpонежа, атмосферного загрязнения, температурой воздуха, количеством осадков и водоотбором подземных вод;
-
исследовать и обработать результаты натурных наблюдений за метеорологическими параметрами. Разработать статистические модели распределения температур поверхностного слоя водохранилища и окружающего воздуха, скорости ветра, абсолютной и относительной влажности. Дать оценку высоты развития установившейся конвективной циркуляции и распределения примеси над акваторией водохранилища при наличии тумана над водной поверхностью;
-
оценить седиментационный баланс в ПТС Воронежского водохранилища с выделением районов автохтонного и аллохтонных транспортировки взвесей. транспортировки взвесей. Построить обобщенную литологическую схему донных отложений Воронежского водохранилища. С учетом особенностей экогидрохимических условий изучить основные факторы формирования загрязняющих компонентов инфильтрационных вод Воронежского водохранилища;
-
разработать методику моделирования процесса геомиграции в условиях неопределенности влияющих факторов для рационального управления процессом массопереноса загрязняющих компонентов подземных вод в ПТС ВПВ с получением прогностических моделей геомиграции;
-
создать эффективный алгоритм и базирующийся на нем программный комплекс, реализующие основные положения методики моделирования процесса геомиграции в ПТС ВПВ и отвечающий требованиям эксплуатирующих организаций по оптимизации режима работы ВПВ;
-
провести эксперимент по структурной идентификации процессов массопереноса основных загрязняющих компонентов подземных вод ПТС ТПК г.Воронежа для получения прогностических моделей с целью оптимизации соотношения количества и качества добываемой питьевой воды;
-
разработать методологию управления качеством состояния гидросферы ТПК г.Воронежа для геоэкологической безопасности состояния ПТС ТПК г.Воронежа и обеспечения населения питьевой водой требуемого качества.
Объект исследования – гидросфера ТПК г.Воронежа с элементами атмосферы.
Предмет исследования – процессы массопереноса загрязняющих компонентов в атмосфере и в подсистемах поверхностных и подземных вод гидросферы.
Научная новизна работы состоит в следующем:
-
разработана методология квантификации ПТС ТПК, отличающаяся системным подходом к анализу географических, геологических, гидрологических, гидрогеологических и геоэкологических характеристик ПТС ТПК, с выделением графа гидросферы ПТС как основы для ситуационного управления качеством ее состояния;
-
разработана информационная схема геоэкологического мониторинга, отличающаяся системными требованиями к квантификации и дискретизации ПТС ТПК и устраняющей многозначность прогнозов изучаемых процессов и явлений на основе предлагаемого критерия значимости результатов;
-
разработаны модели температур поверхностного слоя воды и центров конденсации для случая испарения при течении влажного воздуха над свободной водной поверхностью, отличающиеся возможностью прогноза образование туманов в акватории водохранилища при изменении метеорологических параметров.
-
разработана математическая модель массопереноса в зоне инфильтрационного водообмена, отличающаяся возможностью учета взаимовлияния поверхностных и подземных вод гидросферы ТПК г.Воронежа, реализующаяся методами структурной идентификации.
-
разработаны оригинальные методики структурной идентификации процессов геомиграции в системах ВПВ с использованием положений теории самоорганизации, в которых предложен балансово-параметрический подход к моделированию процессов геомиграции в условиях неопределенности влияющих факторов. Предложенные автором критерии выбора оптимальных моделей позволяют получать модели для управления нарушенными природными процессами, отличающиеся учетом инертности внешних воздействий природных процессов с возможностью реализации долгосрочного прогнозирования процессов массопереноса загрязняющих компонентов подземных вод;
-
разработан алгоритм для структурной идентификации процессов геомиграции, реализующий рациональный вычислительный процесс на основе системного подхода к квантификации области моделирования и определения зависимых переменных, отличающийся возможностью идентификации оптимальных моделей процессов геомиграции в реальном времени. На базе методики и алгоритма структурной идентификации процессов геомиграции создан интегрированный программный комплекс, позволяющий реализовать предлагаемую методологию моделирования геомиграционных процессов с целью эффективной и рациональной эксплуатации месторождений подземных вод и оптимизировать качество добываемых вод;
-
получены модели массопереноса ионов железа и марганца в подземных водах ПТС ВПВ №3, 4, 8 и 11 г.Воронежа, отличающиеся известной погрешностью прогноза, что делает возможным их применение для ситуационного управления качеством состояния гидросферы ТПК г.Воронежа;
-
на основе результатов исследований разработана методология управления качеством состояния гидросферы ТПК г.Воронежа, отличающаяся ситуационным принятием управленческих решений на базе прогностических моделей массопереноса загрязняющих компонентов гидросферы.
Положения, выносимые на защиту:
методология квантификации гидросферы ПТС ТПК на базе системного подхода к анализу географических, геологических, гидрологических, гидрогеологических и геоэкологических характеристик ПТС ТПК, с выделением графа гидросферы и критерия значимости результатов в качестве основы механизма управления качественным состоянием ПТС;
методика структурной идентификации процессов геомиграции в системах ВПВ на базе теории самоорганизации с многокритериальным выбором модели в условиях неопределенности влияющих факторов;
балансово-параметрический класс моделей с учетом инертности внешних воздействий для идентификации прогностических моделей управления нарушенными природными процессами;
алгоритм структурной идентификации процессов геомиграции, реализующий рациональный вычислительный процесс оптимальных моделей на основе системного подхода к квантификации области моделирования и определения зависимых переменных;
модели массопереноса ионов железа и марганца в подземных водах ПТС ВПВ №3, 4, 8 и 11 г.Воронежа;
методология управления качеством состояния гидросферы ТПК г.Воронежа, отличающаяся ситуационным принятием управленческих решений на базе прогностических моделей массопереноса загрязняющих компонентов гидросферы.
Пpактическая значимость работы. На основе разработанного комплекса методов, алгоритмов и программных продуктов уточнены эксплуатационные запасы подземных вод системы ТПК г.Воронежа. Решение систем уравнений, описывающих процессы массопереноса ионов железа и марганца, основу которых составляют модели, полученные с помощью предложенной методики структурной идентификации, позволило определить оптимальное соотношение между количеством и качеством добываемых подземных вод и оптимизировать работу систем ВПВ г.Воронежа.
По результатам анализа данных литогенеза донных отложений определены перспективные участки расширения существующих месторождений подземных вод и оценены их эксплуатационные запасы, которые позволят ликвидировать дефицит питьевой воды в г.Воронеже.
Произведены расчеты по прогнозированию негативного воздействия промышленных и автотранспортных атмосферных выбросов загрязняющих веществ на экологическую безопасность Воронежского водохранилища.
Результаты диссертации внедрены в производство на ряде предприятий (МУП «Водоканал Воронеж», Управление федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека по Воронежской области, Федеральное агентство водных ресурсов Донского БВУ водных ресурсов по Воронежской области). На основе результатов проведенных исследований процесса массопереноса загрязняющих компонентов гидросферы ТПК г.Воронежа разработана программа развития водоснабжения в г.Воронеже до 2020 года, в основу которой заложен принцип бездефицитного водоснабжения с требуемым качеством питьевой воды.
Реализация и внедрение результатов работы. Представленные в диссертации результаты получены в итоге научной работы, проведенной в ГОУ ВПО "Российский государственный социальный университет филиал г.Воронеж", муниципальном унитарном предприятии "Пpоизводственное упpавление Воронежводоканал" и OAO“Геоцентр Москва” ТЦ “Воронеж - Геомониторинг” в период 2002- 2008 гг. Работы выполнялись в рамках более 20 научно-исследовательских контрактов, выполненных по заказам Министерства образования и науки и Министерства регионального развития Российской Федерации.
Реализацией полученных результатов стала эксплуатация программного комплекса в муниципальном унитарном предприятии "Пpоизводственное упpавление Воронежводоканал" г.Воpонежа. Так, в 2006-2008 гг. были решены вопpосы оптимизации pежима эксплуатации систем ВПВ г.Воронежа. Внедрение результатов исследований позволило нормализовать водоснабжение в Юго-Западном и Северном микрорайонах г.Воронежа за счет дополнительных более 50 тыс.м3/сут объемов питьевой воды, полученных с существующих ВПВ, что можно сравнить с вводом в эксплуатацию нового ВПВ . В этот же период в рамках государственной программы по переоценке эксплуатационных запасов месторождений подземных вод были проведены исследования с целью оценки эксплуатационных запасов перспективных участков существующих месторождений подземных вод (системы ВПВ № 3, 4 и "Южно-Чертовицкий"). Экономический эффект от внедрения результатов исследований в 2008 г. составил более 16 миллионов рублей. На основе результатов исследований разработана концепция развития водоснабжения в г.Воронеже, реализация которой позволит ликвидировать дефицит питьевой воды.
Основные методические и программные разработки диссертации послужили основой для более чем тридцати дипломных и курсовых работ, написанных студентами факультета инженерных систем и сооружений Воронежского государственного архитектурно-строительного университета под руководством автора. Результаты диссертационного исследования используются в процессе обучения студентов по дисциплинам: «Урбоэкология», “Охрана воздушного бассейна”, “Технические средства и методы защиты окружающей среды”.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Диссертация соответствует следующим областям исследований паспорта специальности 25.00.36 – Геоэкология (в строительстве и ЖКХ):
5.6. Природная среда и ее изменения под влиянием урбанизации строительной и хозяйственной деятельности человека: загрязнение почв, горных пород, поверхностных и подземных вод, возникновение и развитие опасных природных и техноприродных процессов. Характеристика, оценка состояния и управление современными ландшафтами.
5.7. Характеристика, оценка состояния и управление природно-техногенными ландшафтами (в т.ч. урболандшафтами).
5.10. Геоэкологические аспекты природно-техногенных (в т.ч. строительных) систем. Мониторинг их состояния.
5.11. Динамика, механизм, факторы и закономерности развития опасных природных и техноприродных процессов, прогноз их развития, оценка опасности и риска, управление риском, мероприятия по снижению последствий геокатастрофических процессов, геоинженерная защита территорий, зданий и сооружений.
5.14. Теория, методы, технологии и средства оценки состояния, защиты, восстановления и управления природно-техногенными системами, включая агроландшафты на основе осуществления строительной, хозяйственной деятельности и эксплуатации ЖКХ.
Апробация работы и публикации. Основные теоретические положения и прикладные результаты неоднократно докладывались на ежегодных научных конференциях и семинарах геологического факультета Воpонежского государственного университета и факультета инженерных систем и сооружений Воронежского государственного архитектурно-строительного университета, а также на производственных совещаниях по выполнению более 20 НИР за период с 2002 по 2011 год. Автор выступал с докладами на первой международной научно-практической конференции «Экологические и правовые аспекты эксплуатации водохранилищ» (Воронеж, 2003), на III-й Межрегиональной научно-практической конференции "Экология и рациональное природопользование" (Воронеж, 2007), на международной конференции посвященной 90-летию Воpонежского госуниверситета "Месторождения природного и техногенного минерального сырья: геология, геохимия, геохимические и геофизические методы поисков, экологическая геология" (Воронеж, 2008); на V-й Всероссийской научно-технической конференции "Теория конфликта и ее приложения" (Воронеж, 2008), на III-й международной научно-практической конференции "Наука и устойчивое развитие общества. Наследие В.И.Вернадского" (Тамбов 2008), на научно-практической конференции посвященной 90-летию Воронежского госуниверситета и 205-летию Юрьевского университета "Современные проблемы экологической геологии" (Воронеж, 2008), на Всероссийской научно-технической конференции "Приоритетные направления развития науки и технологий" (Тула, 2008), на научно-практической конференции "Моделирование систем и информационные технологии" (Воронеж, 2009), на Всероссийской научно-технической конференции " Современные проблемы экологии" (Тула, 2009),
Публикации результатов работы. По теме диссертации опубликовано 53 печатных работ, в том числе 8 – в изданиях, определенных ВАК РФ и 3 монографии.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения.
