Содержание к диссертации
Введение
1 Нормирование вредных антропогенных воздействий на водные объекты 9
1.1 Отечественный и зарубежный опыт нормирования вредных воздействий на водные объекты 9
1.1.1 Отечественный опыт нормирования водопользования 9
1.1.2 Зарубежный опыт нормирования водопользования 12
1.2 Правовые основы разработки нормативов в области охраны водных ресурсов 20
1.3 Методы нормирования антропогенной нагрузки на водные объекты и их математические модели 28
1.4 Выводы 43
2 Использование технологического подхода при нормировании воздействий на водный объект 45
2.1 Общие положения 45
2.2 Технологический подход к нормированию сброса сточных вод в водные объекты 48
2.3 Обоснование принципов перехода между технологическими схемами 52
2.4 Использование технологического подхода при установлении временных нормативов сброса сточных вод в водный объект
для предприятия 57
2.5 Алгоритм реализации технологического подхода на уровне предприятия 59
3 Нормирование вредных антропогенных воздействий на водные объекты на бассейновом уровне 63
3.1 Актуальность бассейнового нормирования 63
3.2 Математическая модель, реализующая технологический подход на бассейновом уровне 65
3.3 Алгоритм реализации технологического подхода на бассейновом уровне 70
4 Апробирование предлагаемой методики нормирования вредных воздействий на водные объекты 72
4.1 Общие положения 72
4.2 Природные условия бассейна реки Ингода 74
4.3 Характеристика рассматриваемого участка реки Ингода от ст. Домна до ст. Атамановка 75
4.4 Пример использования предлагаемого подхода к нормированию вредных воздействий на водные объекты на уровне предприятия 81
4.4.1 Общие положения 81
4.4.2 Описание хозяйственной деятельности предприятия ФГУП «103 БТРЗ» 82
4.4.3 Характеристика существующей технологической схемы очистки сточных вод, принятой на ФГУП «103 БТРЗ» 83
4.4.4 Возможные варианты развития очистных сооружений ФГУП «103 БТРЗ» 85
4.4.5 Выбор плана внедрения технологий очистки сточных вод на ФГУП «103 БТРЗ» 95
4.5 Пример использования предлагаемого подхода к нормированию вредных воздействий на водные объекты на бассейновом уровне 99
4.5.1 Анализ технологических схем очистки сточных вод на предприятиях участка р. Ингода 99
4.5.1.1 ОАО «Читаавиа» 99
4.5.1.2 Очистные сооружения ст. Атамановка 102
4.5.1.3 Очистные сооружения г. Чита 104
4.5.1.4 Домненская КЭЧ 105
4.5.2 Выбор фоновых и контрольных створов, назначение целевых показателей 108
4.5.3 Моделирование распространения загрязнений на участке р. Ингода 110
4.5.4 Эколого-экономическая оценка мероприятий, предложенных с использованием методики 114
Заключение 118
Список публикаций 119
Список литературы
- Отечественный и зарубежный опыт нормирования вредных воздействий на водные объекты
- Технологический подход к нормированию сброса сточных вод в водные объекты
- Математическая модель, реализующая технологический подход на бассейновом уровне
- Характеристика рассматриваемого участка реки Ингода от ст. Домна до ст. Атамановка
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Нормирование водопользования занимает ведущее место в системе управления антропогенной нагрузкой на водные объекты. Обладая четко выраженными механизмами установления пределов воздействий, нормативы накладывают ограничения на деятельность водопользователей с целью обеспечения благоприятного состояния водных экосистем.
Одним из недостатков существующей системы нормирования является недостаточный учет технико-экономических возможностей субъектов водопользования по достижению требуемых показателей очистки сточных вод. Как показывает практика, в некоторых случаях водопользователям, может быть установлен предельно высокий уровень очистки сточных вод, которого невозможно достичь даже при использовании самых совершенных на данный момент технологий очистки (наилучших существующих технологий). Эта ситуация усложняется при рассмотрении совокупного воздействия со стороны нескольких водопользователей, расположенных в бассейне водного объекта. Для решения данной проблемы необходим анализ системы технологических решений, в соответствии с которыми каждый отдельно взятый источник сброса загрязняющих веществ сокращает их поступление в водный объект, исходя из своих собственных возможностей.
Возможность назначения технологических нормативов закреплена в Федеральном Законе «Об охране окружающей среды», но к настоящему времени не в полной мере разработаны методические основы установления технологически обоснованных нормативов сброса сточных вод в водные объекты.
Таким образом, задача разработки и реализации методических принципов установления технологически обоснованных нормативов сброса сточных вод в водные объекты является актуальной.
Целью диссертационной работы является разработка методики
нормирования сброса сточных вод в водные объекты, обеспечивающей учет действующих и наилучших существующих технологий очистки сточных вод. Для достижения указанной цели необходимо было решить следующие задачи:
Обосновать подход к нормированию, основанный на поэтапном снижении воздействий на водный объект с учетом технологических особенностей процессов очистки сточных вод у водопользователей.
Разработать математическую модель, описывающую предложенный подход.
Разработать алгоритм экспертной системы поддержки принятия решений, реализующий математическую модель.
Провести апробацию предложенных методов на примере речного бассейна.
Объектом исследования является водный объект, подверженный антропогенным воздействиям.
Предметом исследования являются методы нормирования вредных воздействий на водные объекты.
Научная новизна.
Разработан алгоритм расчета норм и экспертная система поддержки принятия решений по назначению нормативов сброса сточных вод, основанный на поэтапном снижении воздействий на водный объект, учитывающий возможности использования наилучших существующих технологий очистки сточных вод у водопользователей.
Разработана математическая модель и программный комплекс, основанные на анализе графа возможных технологий очистки сточных вод.
Показана возможность использования предлагаемого технологического подхода при нормировании воздействий на водные объекты, как на уровне предприятия, так и на бассейновом уровне.
Методы исследования. В работе использовался комплекс методов: теоретические изыскания, обобщение опыта отечественных и зарубежных
исследователей, системный анализ, математическое моделирование
технологических и экологических процессов. Для количественных расчетов
ь применялись стандартные методики.
Достоверность научных положений подтверждается использованием действующей нормативно-методической базы, официальной статистической информацией территориальных органов Росводресурсов РФ и Росгидромета РФ, а так же положительными результатами апробации предлагаемой методики на различных конференциях.
На защиту выносятся
1. Принципы бассейнового нормирования сточных вод,
обеспечивающие учет технологических особенностей процессов их очистки у
водопользователей.
2. Математическая модель расчета норм и экспертная система
'/ поддержки принятия решений по назначению нормативов сброса сточных
вод.
3. Результаты расчета нормативов предельно допустимых сбросов
сточных вод в водные объекты для водопользователей участка речного
бассейна, полученные с использованием разработанной модели.
Практическая значимость работы. Результаты работы предназначены для разработки нормативов предельно допустимых сбросов загрязняющих веществ со сточными водами (ПДС), обеспечивающих:
поэтапное улучшение качественных показателей состояния водных объектов;
планомерный переход к более эффективным технологиям очистки сточных вод.
Предложенный алгоритм установления нормативных показателей может применяться для построения информационных систем поддержки принятия решений в области управления водохозяйственными системами на бассейновом уровне.
Основные положения исследований были учтены при разработке
«Территориальной государственной программы использования,
восстановления и охраны водных объектов Читинской области».
\ Результаты работы используются в учебных курсах Читинского
государственного университета для студентов специальностей «Комплексное использование и охрана водных ресурсов» и «Инженерная защита окружающей среды».
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы
докладывались и обсуждались на 2-й Международной конференции
«Забайкалье на пути к устойчивому развитию» (Чита, 2001), 5-м
Международном конгрессе «Вода: Экология и технология» (Москва, 2002),
5-й Международной конференции «Акватерра» (Санкт-Петербург, 2002), 7-м
и 8-м Международном симпозиуме «Чистая вода России» (Екатеринбург,
2003, 2005), ежегодных научно-технических конференциях ЧитГТУи ЧитГУ
V в 2000-2004 гг., на постоянно действующих семинарах кафедры водного
хозяйства и инженерной экологии Читинского государственного университета в 2000-2006 гг.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе 5 статей, из них 1 в журнале, рекомендованном ВАК для публикаций результатов диссертационных работ, общий объем 3,5 п.л., из них авторские 2,9 п.л.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, и заключения. Общий объем работы 130 страниц, в том числе 23 рисунка, 16 таблиц. Список литературы содержит 102 наименования.
Отечественный и зарубежный опыт нормирования вредных воздействий на водные объекты
Проблемы загрязнения поверхностных и подземных вод, деградации водных экосистем наиболее остро встали перед человечеством в конце XIX века, что в значительной степени было связано с ростом промышленного производства и возрастанием антропогенной нагрузки на водные объекты. Появилась необходимость в разработке механизмов регламентирования этой нагрузки, и наиболее ранним способом охраны водоемов от вредных воздействий человека было запрещение сброса в них каких-либо загрязнений, особенно сточных вод [93]. Эта тенденция долгое время основывалась на представлении, что таким образом можно будет сохранить водоемы для целей питьевого водоснабжения городов и возникающих промышленных центров. При этом ограничения носили сугубо декларативный характер и вводились главами государства или правительства на территорию страны, либо местными органами управления на отдельные территории или поселения [42]. С течением времени обнаружилось, что подобная «запретительная» политика нереальна и даже приводит к прямо противоположным результатам.
Первые правила отведения сточных вод в водные объекты на достаточно серьезной научной основе были разработаны под руководством Г.В. Хлопина специальным медицинским Советом Министерства внутренних дел России в 1908 г [42]. Согласно данному документу основное требование к сбросу сточных вод выражалось в сохранении химического состава и физических свойств воды водоемов, в которые они отводятся, и предотвращению заметных изменений в фауне и флоре этих водоемов. Данные требования стали подвергаться критике сразу после своего опубликования, т.к., по мнению оппонентов, обеспечивали сохранение качества природных вод, но не гарантировали водопользователям потребительских свойств воды.
Концептуально новым подходом к решению проблемы стала разработанная в конце 30-х годов система нормативов предельно допустимых концентраций, закрепленная в «Правилах спуска сточных вод в водоемы» (ОСТ 90014—39). Эта методика в наибольшей степени отвечала смыслу и содержанию проблемы охраны водоемов от загрязнения. В ней через стандартизацию требований к составу и свойствам воды водоемов достигалась главная цель - установление такого качества воды в них, которое соответствовало бы интересам водопользователей. Однако все нормативы, введенные в действие в последующие годы, были в основном ориентированы на соблюдение санитарно-гигиенических показателей и не учитывали возможность использования водного объекта в других целях [93].
Этот недостаток был устранен с принятием «Правил охраны поверхностных вод от загрязнения сточными водами» (1961 г.). На основании принципа дифференциации нормативов, который был признан в Постановлении Совета Министров СССР «О мерах по упорядочению использования и усилению охраны водных ресурсов СССР» (1960 г.), в Правилах особо подчеркивалась необходимость разработки ведомственных стандартов, оптимизированных как для хозяйственно-питьевых и культурно-бытовых нужд населения, так и для использования водоемов в рыбохозяйственных целях. Принятие Правил 1961 года вызвало огромный интерес во всем мировом сообществе, Всемирная организация здравоохранения выступала с рекомендациями по принятию подобной системы нормирования в других странах мира. Это привело к введению в ряде развитых государств (Великобритания 1963 г., Япония 1972 г., США 1965 г.) стандартов качества воды [43, 45, 101], которые были адаптированы к местным условиям.
В последующие годы развитие нормирования качества вод шло по пути ужесточения норм и увеличения числа нормируемых веществ. Такой подход, закрепленный в «Основах водного законодательства Союза ССР и союзных республик» (1970 г.), не соответствовал истинному положению дел в водоохранной отрасли. Уже принятие следующих «Правил охраны поверхностных вод от загрязнения сточными водами» (1975 г.), в которых закреплялась основополагающая роль ПДК в системе нормативов качества, сопровождалось серьезной критикой со стороны научных и проектных организаций [65]. В качестве главных недостатков признавались неосуществимость требуемых нормативов, невозможность учета гидрогеохимических и гидрологических особенностей конкретных водных объектов, сложность контроля содержания ингредиентов загрязнения в водах и множество других. Правила 1975 года ввели в рассмотрение понятие комбинированного действия нескольких загрязняющих веществ, что было оформлено в виде показателей ЛПВ, характеризующих эффект аддитивности (простого суммирования) совместного влияния, причем синергизм (когда эффект совместного действия больше простого суммирования) и антагонизм (когда вредные вещества нейтрализуют опасное влияние) [22], свойственные большому числу веществ, во внимание не принимались.
Технологический подход к нормированию сброса сточных вод в водные объекты
Для получения удовлетворительных результатов, построение функций затрат должно производиться по каждому отдельному водопользователю, что при наличии огромного количества альтернативных вариантов развития водохозяйственной системы предприятия, является практически невыполнимой задачей. В связи с этим, рассмотрение деятельности нескольких водопользователей в пределах речного бассейна, основанное на подобном подходе представляет значительные сложности. Введение более грубых допущений позволяет значительно упростить процесс построения функций затрат со значительным занижением точности получаемых результатов.
Очевидно, необходим другой, технологический подход к регулированию нагрузки на водный объект, который был бы ориентирован на анализ максимального количества возможных технологий очистки сточных вод на каждом отдельном предприятии, которые в результате внедрения дадут определенный эколого-экономический эффект. Именно такая постановка позволит учесть особенности конкретных водопользователей по проведению природоохранных мероприятий и устанавливать реальные требования к очистке сточных вод и устранению из них вредных компонентов.
Предлагаемый технологический подход к нормированию сброса сточных вод со стороны предприятий подразумевает анализ всех возможных вариантов развития их очистных сооружений. На каждом предприятии в зависимости от состава и объема стоков может быть реализована та или иная технологическая схема очистки k = \,K - совокупность последовательно расположенных сооружений, предназначенных для удаления загрязняющих веществ из сточных вод (рисунок 2).
Поступая на очистные сооружения у -го предприятия, сточные воды имеют многокомпонентный состав, который характеризуется вектором масс загрязняющих веществ - где lvltj - масса загрязняющих веществ, поступающих на очистные сооружения.
В результате очистки на отдельных технологических блоках происходит одновременное снижение содержания сразу целого комплекса веществ. Сокращение массы загрязняющих веществ в результате очистки характеризуется с помощью показателя степени сокращения сброса загрязняющего вещества (ССС), под которой понимается отношение массы загрязняющих веществ, сброшенных в водный объект после очистки к массе загрязняющих веществ, поступающих со сточными водами на очистные сооружения (рисунок 3): где т ij - масса загрязняющих веществ, сброшенных в водный объект после очистки.
Пусть в начальный момент времени нау -ом предприятии для очистки сточных вод применялась технологическая схема Щ" , которая обеспечивала очистку от /-го загрязняющего вещества со степенью сокращения сброса Му (существующая технологическая схема) (рисунок 4). Анализ технологических схем очистки сточных вод показал, что 1 треп . „ N внедрение схемы /Су {перспективной технологической схемы) для у-го предприятия будет соответствовать наилучшей существующей технологии очистки сточных вод. В соответствии с законом «Об охране окружающей среды» - «...наилучшая существующая технология - это технология, основанная на последних достижениях науки и техники, направленная на снижение негативного воздействия на окружающую среду и имеющая установленный срок практического применения с учетом экономических и социальных факторов...» [29].
Переход от схемы kj" = 1 к схеме k"epc" = К может быть осуществлен поэтапно через промеясуточные технологические схемы за счет внедрения дополнительных блоков очистных сооружений или усовершенствования существующих. При этом изменятся характеристики параметров очистки сточных вод - степень сокращения сброса /-го загрязняющего вещества нау ом предприятии ( И1 ij ), объем сточных вод, сбрасываемых в водный объект
Таким образом, за счет перехода от одной промежуточной технологической схемы к другой, каждый источник загрязнения приближается от существующего к перспективному уровню очистки. Этот уровень отражает наиболее эффективные средства очистки, принятые в соответствии с наилучшей существующей технологией.
Математическая модель, реализующая технологический подход на бассейновом уровне
В основе предлагаемого подхода нормирования воздействий на водный объект на бассейновом уровне лежит математическая модель прогноза экологического состояния водного объекта в зависимости от применения технологий очистки сточных вод на предприятиях, осуществляющих сброс в реку.
Математическая модель является имитационной и предполагает использование эвристического аппарата эксперта - лица, принимающего решение (ЛИР). Построение модели производится на двух уровнях - уровне отдельного предприятия и уровне речного бассейна.
На уровне предприятия производится моделирование технологических процессов очистки сточных вод и построение технологического графа для каждого отдельного водопользователя бассейна реки (раздел 2). Моделирование на уровне речного бассейна предполагает прогноз состояния водного объекта под воздействием имеющихся сосредоточенных источников загрязнения в результате проведения ими водоохранных мероприятий.
В связи со сложностью взаимосвязей между явлениями и процессами, обуславливающими формирование качества поверхностных вод, построение математических моделей прогноза экологического состояния водных объектов является достаточно сложной задачей. Если рассматривать бассейн реки с точки зрения системного подхода, то до настоящего момента еще недостаточно ясен весь комплекс факторов, влияющих на процессы поступления, трансформации и распределения веществ загрязнения в водном потоке. Поэтому во избежание перегрузки математических моделей несущественными подробностями был определен круг допущений и ограничений, накладываемых на моделируемые процессы: - функцией, однозначно определяющей состояние качества воды, является гидрохимическая составляющая речного стока; - расчет производится для постоянного гидрологического режима реки с установившимся движением воды; ч - нагрузка на водный объект со стороны точечных источников сброса стационарна, то есть предполагается, что каждый источник загрязнения сбрасывает некоторое осредненное по времени количество сточных вод; - диффузная нагрузка считается равномерно распределенной по длине участка реки, величина неорганизованного поступления химических компонентов принимается средней за расчетный период.
При построении математической модели используется расчетная схема, представленная на рисунке 8. Каждый водоток, расположенный в рассматриваемом бассейне, разделяется на участки, ограниченные створами, которые в зависимости от характера расчетов подразделяются на три категории: - контрольные створы, в которых производится оценка качества вод; - фоновые створы, в которых водные объекты могут считаться не подверженными антропогенной нагрузке; - створы расположения сбросов сточных вод от точечных источников загрязнения (j - 1, J) и створы впадения притоков. Для водотоков определяются следующие параметры: - гидравлические показатели и параметры морфометрии (2,ApA/"V") где Ъср - средняя ширина живого сечения потока по верху; hcp - средняя глубина наполнения русла реки; vcp - средняя скорость движения воды; Qj - расчетный расход реки в створе непосредственно выше у -го ч выпуска; и - уклон водной поверхности; - фоновые показатели качества вод ( С,- ); - характеристики процессов самоочищения и трансформации неконсервативных зафязняющих веществ в водном потоке (ftco); - места расположения расчетных и контрольных створов. Для точечных источников загрязнения определяется: - местоположение; - объем сточных вод, сбрасываемых у-ым источником загрязнения в водный объект за расчетный период ( );
Характеристика рассматриваемого участка реки Ингода от ст. Домна до ст. Атамановка
Бассейн реки Ингода расположен в юго-западной части Читинской области. Ингода является левым притоком реки Шилка, берет начало с северо-западных склонов горного узла Яблонового, Даурского хребтов и хребта Черского и протекает преимущественно в горной местности. Общая ее длина составляет 708 км, площадь водосбора - 37200 км .
Бассейн реки Ингода характеризуется преимущественно горным рельефом. Данный район расположен в пределах следующих ландшафтных зон - лесной (таежной), лесостепной и степной с вкраплениями участков, характеризующихся высокогорными типами ландшафтов. Бассейн в целом представляет собой горную страну, где преобладают средневысотные (1000 -1500 м БС) горы, не достигающие снеговой линии. Основными элементами рельефа являются здесь горные хребты, слаборасчлененные плато, межгорные впадины и котловины, всхолмленные участки и равнины. Средняя высота всего района 600 - 700 м БС.
Климатические показатели в бассейне р. Ингода характеризуются значительными контрастами. Большая удаленность рассматриваемой территории от морских побережий, закрытость горами и преобладание горного рельефа обуславливают здесь резко континентальный климат. Это выражается в наличии большой амплитуды колебаний среднесуточных и сезонных температур воздуха, относительно малого количества атмосферных осадков, резкой смены сезонов, холодной продолжительной и малоснежной зимы, преобладании ясного неба, особенно в холодную половину года. В целом бассейн находится в зоне недостаточного увлажнения.
Температурный режим бассейна обуславливается главным образом характером атмосферной циркуляции и рельефом местности. Влияние географической широты сказывается значительно слабее особенно в холодный период. Существенное влияние на температурный режим оказывает континентальность климата, что проявляется в резко выраженном различии зимних и летних значений температур воздуха.
Распределение запасов воды в снежном покрове колеблется от 6 до 10 мм. В связи с отсутствием оттепелей снег накапливается в течение всего зимнего сезона и наибольшие запасы воды в снеге в равнинных и степных районах обычно образуются в феврале - марте, а в горных участках бассейна - к первой декаде апреля. В связи с небольшими запасами влаги в снежном покрове весенние подъемы уровня воды в реках Ингодинского бассейна обычно невелики и намного уступают летне-осенним паводкам. На открытых пространствах при незначительной толщине снег весной может полностью испариться, минуя жидкую фазу. Чаще всего это случается в особо сухие и холодные весны.
Вода реки в период открытого русла имеет малую минерализацию, в зимнюю межень - среднюю. Кислородный режим в течение года остается удовлетворительным, реакция среды - изменяется от нейтральной до слабощелочной. По химическому составу вода реки относится к гидрокарбонатному классу, группе кальция.
Протяженность выбранного участка реки Ингода от створа выше ст. Домна до створа УГМС ниже ст. Атамановка по руслу реки составляет 62 км (рисунок 9). Расчетная схема представлена на рисунке 10.
По оценке качества вод с использованием индекса загрязненности вод (ИЗВ) река Ингода выше города Чита отнесена к III классу и характеризуется умеренным загрязнением. Максимальное загрязнение вод отмечается ниже города Чита - V класс качества. Среднегодовое содержание органических веществ по ХПК составляет 30 мг/л, азота нитритного - 0,15 мг/л, железа общего - 0,5 мг/л, фенолов - 0,005 мг/л, нефтепродуктов - 0,3 мг/л,
Расчетная схема участка р. Ингода что в несколько раз превосходит ПДК по данным веществам [27].
В период зимней межени отмечается наибольшее содержание нитритов - от 0,3 до 0,5 мг/л и фенолов - от 0,005 до 0,008 мг/л. В период летне-осенних паводков отмечаются максимальные концентрации аммонийного азота - более 2 мг/л и цинка - от 0,02 до 0,04 мг/л. Летние дожди способствуют экстремально высоким уровням загрязнения реки нефтепродуктами - до 0,1 мг/л и ионами меди - от 0,01 до 0,02 мг/л [27].
Из многочисленных предприятий, расположенных в данном районе, пять производят сброс сточных вод непосредственно в р. Ингода и ее притоки - Домненская КЭЧ (1100 м/сут), ОАО Читаавиа (2268 м/сут), Читинские очистные сооружения (10520 м3/сут), очистные сооружения станции Атамановка (2700 м3/сут), 103-й бронетанковый ремонтный завод (1850м3/сут).
Основные ингредиенты загрязнения - БПК5, нефтепродукты, СПАВ, железо, азот аммонийный, медь (таблицы 2, 3).
Похожие диссертации на Учет технологических особенностей водопользователей при нормировании допустимых воздействий на водные объекты
