Содержание к диссертации
Введение
1 Сток с урбанизированных территорий и его воздействие на водные объекты
1.1 Проблема загрязнения водных объектов . 8
1.2 Загрязнение водных объектов поверхностными сточными водами 10
1.3 Методы прогноза объема и расхода ливневого стока
1.4 Формирование качественных характеристик поверхностного стока
1.5 Способы и методы защиты водных объектов от загрязнения поверхностным стоком с урбанизированных территорий
2 Экспериментальное изучение ливневого стока 39
2.1 Краткая характеристика района наблюдений 39
2.2 Объекты исследований 43
2.3 Метеорологические условия периода наблюдения 44
2.4 Состав исследований 51
2.5 Основные результаты исследований 52
3 Обобщение результатов экспериментальных исследований
3.1 Основные закономерности формирования качественного состава поверхностного стока
3.2 Характерные особенности качества сточных вод в первой фазе дождя 58
3.3 Зависимости концентрации ингредиентов во вторую фазу дождя
3.4 Оценка выноса загрязняющих веществ с территории г. Читы
4 Методика оптимизации очистки ливневого стока и оценка ее экономической эффективности
4.1 Математическая модель оптимизации очистки ливневого стока с учетом неравномерности его формирования
4.1.1 Критерий выбора оптимального варианта очистки ливневых стоков
4.1.2 Уравнение связи математической модели 78
4.2 оценка экономической эффективности методики на примере частного водосбора г. Читы 82
Заключение 91
Список литературы 93
Приложения
- Проблема загрязнения водных объектов
- Краткая характеристика района наблюдений
- Основные закономерности формирования качественного состава поверхностного стока
- Математическая модель оптимизации очистки ливневого стока с учетом неравномерности его формирования
Введение к работе
Актуальность темы. Водные объекты подвержены загрязнению хозяйственно-бытовыми, промышленными и поверхностными сточными водами. Если основная часть хозяйственно-бытовых и промышленных сточных вод проходит очистку перед их выпуском в водный объект, то поверхностные сточные воды в основном сбрасываются без очистки. Входящие в состав дождевых и талых вод загрязнения нередко приводят водные объекты в состояние, непригодное для использования в хозяйственно-бытовых и рыбохозяйственных целях.
Существуют различные способы защиты водных объектов от загрязнения поверхностными сточными водами. Однако выбор из их числа наиболее приемлемого варианта затруднен в связи со сложностью выполнения всесторонней оценки эффективности. Это связано с тем, что очистные сооружения проектируются для очистки расхода сточных вод редкой повторяемости с постоянными концентрациями загрязняющих веществ, но почти все время они работают со значительно меньшей нагрузкой. В связи с этим актуальной является задача разработка новых подходов к обоснованию состава мероприятий по охране водных объектов от загрязнения поверхностным стоком и соответствующих методик, обеспечивающих повышение их экономической эффективности.
На актуальность данного направления исследований указывается в «Основных направлениях развития водохозяйственного комплекса России до 2010 года», утвержденных распоряжением Правительства РФ от 31 мая 2004 г. № 742-р. В них говорится, что строительство систем и сооружений для сбора и очистки ливневого стока с территорий поселений и предприятий, снижение загрязнения водных объектов через поверхность земли и воздух, является одним из приоритетных направлений.
Идея работы заключается в возможности выбора оптимальных параметров мероприятий по защите водных объектов от загрязнения поверхностным стоком за счет моделирования многолетних рядов «выпадение осадков - формирование стока - очистка стока - загрязнение водоприемника».
Цель и задачи работы. Целью работы является разработка методики планирования мероприятий по защите водных объектов от загрязнения поверхностным стоком с урбанизированных территорий с учетом высокой неравномерности формирования его качественных и количественных характеристик.
Для достижения указанной цели необходимо было решить следующие задачи:
провести натурные исследования и оценить качественные и количественные характеристики дождевых вод с урбанизированной территории;
выявить существование закономерностей формирования качественного состава поверхностного стока;
разработать методику и математическую модель выбора оптимальных параметров мероприятий по защите водных объектов от загрязнения поверхностным стоком с урбанизированных территорий;
произвести апробацию разработанной методики на примере конкретного водосбора и оценить ее экономическую эффективность.
Объектом исследования является дождевой сток с центральной части г. Читы.
Предмет исследования - проблема снижения загрязнения водных объектов стоком с урбанизированных территорий.
Методика исследований заключалась в определении качественного состава дождевого стока и его гидрологических характеристик, использовании методов регрессионного анализа для установления
закономерностей между ними, математическом моделировании процесса формирования дождевого стока и его очистки. Научная новизна:
впервые на основании исследований дождевого стока с территории г. Читы установлено наличие двух фаз формирования его качественного состава и дано объяснение данного явления;
впервые показана принципиальная возможность установления зависимостей концентрации ингредиентов от расхода в замыкающем створе локального водосбора для второй фазы формирования стока;
предложен новый подход к определению параметров мероприятий по защите от загрязнения поверхностным стоком, направленный на получение максимального эколого-экономического эффекта;
разработана математическая модель, реализующая предложенный подход на примере очистки дождевого стока от взвешенных веществ;
на примере модельного водосбора продемонстрирована работоспособность математической модели и показана эффективность ее применения в зависимости от ставок платы за загрязнение.
Научные положения, выносимые на защиту:
качество дождевого стока с урбанизированных территорий со сложным рельефом значительно отличается от аналогичных показателей качества поверхностного стока с равнинных территорий;
формирование качественного состава дождевого стока проходит две фазы, при этом во второй фазе концентрации ингредиентов зависят от расхода в замыкающем створе локального водосбора;
учет закономерностей изменения качественного состава дождевого стока с урбанизированных территорий при планировании мероприятий по защите водных объектов позволяет значительно повысить их эколого-экономическую эффективность.
Практическая значимость. Установленная в процессе исследований возможность установления закономерностей формирования качества дождевого стока позволяет более рационально назначать состав водоохранных мероприятий и их параметров. Основные положения исследований были учтены при разработке «Комплексной схемы восстановления и охраны р. Чита и предотвращение чрезвычайных ситуаций (в пределах г. Читы)». Результаты работы используются в учебном курсе ЧитГУ «Инженерные системы водоснабжения и водоотведения». Разработанная методика может применяться специалистами при разработке проектов очистки поверхностного стока с урбанизированных территорий.
Достоверность результатов исследований подтверждается продолжительными наблюдениями за дождевым стоком, определением его качественного состава аттестованной лабораторией, использованием стандартных методов статистической обработки экспериментальных данных, соответствием основных результатов математического моделирования на. примере конкретного водосбора идее, положенной в основу исследований, апробацией предложенной методики на различных конференциях.
Личный вклад автора состоит:
в постановке целей и задач работы;
в разработке программы натурных исследований, ее реализации и обобщении результатов;
в выявлении зависимостей между качественными и количественными характеристиками поверхностного стока;
в разработке методики выбора оптимальных параметров мероприятий по защите водных объектов от загрязнения поверхностным стоком с урбанизированных территорий;
в апробации предложенной методики на примере конкретного водосбора.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международной конференции «Проблемы прогнозирования в современном мире» (Чита, 1999 г.), Международных симпозиумах «Чистая вода России - 2001, 2003» (Екатеринбург, 2001, 2003), V международной конференции «Акватерра - 2002» (Санкт-Петербург, 2002), научно - практической конференции «Природные ресурсы Забайкалья и проблемы природопользования» (г. Чита, 2001 г.), ежегодных научно-технических конференциях ЧитГУ в 1998-2003 г. По результатам исследования опубликовано 8 печатных работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений. Общий объем работы 105 страниц, в том числе 33 рисунка, 12 таблиц. Список литературы содержит 106 наименований.
Проблема загрязнения водных объектов
В результате хозяйственной деятельности, природных явлений происходит изменение природной среды, количественное и качественное преобразование ее компонентов. Вредные вещества, поступая в какую-либо из сфер (атмосферу, литосферу, гидросферу), вызывают в ней качественные изменения и могут передвигаться между сферами. Чаще всего конечным пунктом передвижения вредных веществ оказываются водные источники, которые аккумулируют поступающие вещества в донных отложениях, транспортируя их по руслам рек [79].
В поверхностные водные объекты России сбрасывается основная часть сточных вод, образующихся в народном хозяйстве РФ - 96,5%; в подземные горизонты - 0,2% ; на поля фильтрации, накопители, КДС и т.д. — 3,3% (по состоянию на 2002 г.). За период с 1998 г. по 2002 г. существенно сократилось количество стоков, сбрасываемых в подземные горизонты (на 727 млн. м3, или на 83%) [.
За 1998 - 2002 г.г. суммарное количество отводимых вод сократилось на 18,1%, сброс загрязненных вод за этот период сократился на 12%. Для 1999 г. эти величины относительно 1998 г. составляли соответственно 2% и 10%. В 1997 г. впервые за последнее время водоотведение в поверхностные водные объекты возросло на 366 млн. м3 (0,7%), загрязненных вод - на 2,8% . Анализ гидрохимической обстановки основных рек РФ показывает, что наиболее распространенными загрязняющими веществами являются нефтепродукты, легко окисляемые органические вещества, соединения тяжелых металлов (меди, цинка, железа), аммонийный, нитритный, нитратный азот, фенолы, а также такие специфические вещества, как ксантогенаты, формальдегид, лигнин и др.
По качеству воды большинство крупных рек оцениваются как "загрязненные", их притоки - "сильнозагрязненные" [13, 14].
Не является исключением и Читинская область, где основной функцией рек является прием сточных вод и содержащихся в них веществ. В связи с тем, что поверхностные воды практически не используются для хозяйственно-питьевого водоснабжения, то их качество никогда особенно не беспокоило руководство области и муниципальных образований. Тем более, что статистика использования водных ресурсов свидетельствует о незначительном объеме сточных вод, сбрасываемых в водные объекты. В целом по области объем сточных вод, имеющих загрязняющие вещества, составляют лишь 0,18% среднегодового объема стока рек, а по бассейнам: Амурскому - 0,36%, Байкальскому - 0,24%, Ленскому - 0,005%. Таким образом, даже в самом освоенном Амурском бассейне в средний по водности год обеспечивается почти трехсоткратное разбавление сточных вод [41].
В то же время, подавляющее большинство рек области характеризуют--ся как умеренно-загрязненные, загрязненные и грязные. При этом сокращение сбросов сточных вод и загрязняющих веществ последних лет не привело к улучшению качества воды [20].
Высокий уровень загрязнения водных объектов области объясняется тем, что основная масса загрязняющих веществ поступает в водные объекты эрозионным и диффузионным путями с участков водосборов, используемых в хозяйственной деятельности. При лесозаготовках в области теряется более 25% древесины, а зачастую предприятия берут лишь лучшую часть лесосырьевых ресурсов. Тяжелая техника при лесозаготовках разрушает почвенный покров, регулярны проливы нефтепродуктов при заправках. Горными и другими работами в области нарушено 21,1 тыс. га, отвалами и хвостохранилищами занято более 3 тыс. га земель. В результате образовались обширные искусственные геохимические провинции, определяющие качественный состав поверхностного и грунтового стока. Наибольшее загрязнение несут поверхностные сточные воды с территорий городов области [37]. Источниками загрязнения водных объектов являются: - поверхностный сток с урбанизированных территорий; - хозяйственно-бытовые сточные воды; - промышленные сточные воды; - загрязнение через подземные воды; - естественно-природное загрязнение; - загрязнение водных источников через атмосферу; - загрязнение водных источников через земельные ресурсы; - патогенное загрязнение источников; - загрязнение источников в чрезвычайных ситуациях [9]. Наиболее хорошо изученной является проблема загрязнения поверхностных источников хозяйственно-бытовыми и промышленными сточными водами [39, 40, 42]. Для защиты от их воздействия разработано множество различных способов, основанных на анализе фазово-дисперсного состояния примесей. Очистка хозяйственно-бытовых и производственных сточных вод осуществляется: механическими (отстаивание, фильтрование, флотация), физико-химическими (нейтрализация, окисление, коагулирование, адсорбция, ионный обмен) и биологическими методами [47, 48]. Защита водных объектов от загрязнения поверхностными сточными водами представляет значительные трудности. При этом следует учитывать различия в условиях формирования поверхностного стока с сельскохозяйственных земель и селитебных территорий.
Изучением закономерностей формирования поверхностных сточных вод и их воздействия на водные объекты занимались многие отечественные и зарубежные исследователи: Бефани А.Н., Вишневский А.Ф., Попова К.И., Курганов A.M., Дикаревский B.C., Правошинский Н.А., Sharpley, Hynes и др. [6, 11,57,23,60, 103, 100].
При определении массы загрязняющих веществ на водотоки одним из основных подходов является создание различных прогностических моделей, описывающих поведение загрязняющих веществ в пределах водосборов с количественной оценкой их поступления в водные объекты. Все разработанные модели отличаются друг от друга структурой и целями исследований, входными и выходными характеристиками, степенью универсальности по отношению к вводимой информации и используемым в них показателям. В общем виде указанные математические модели можно разбить на два основных класса: статистические и детерминированные [68].
К первому классу относятся модели, разработанные на основе корреляционного анализа между количеством смытого вещества и такими показателями, как водный сток, эрозионный смыв, содержание химических веществ в почве, виды землепользования на водосборе и т. д. [10, 12, 58, 92, 93,94].
Краткая характеристика района наблюдений
Город Чита расположен в Читино-Ингодинской впадине, приподнятой над уровнем моря на 640-650 м, у впадения р. Читы в р. Ингоду. Впадина окаймлена с северо-запада Яблоновым хребтом, с юго-востока и востока хребтом Черского (с относительной высотой 150-300 м) со ступенчато-возвышающимися террасами долин рек Ингоды и Читы, переходящими в склоны хребтов.
Рельеф местности в районе Читы разнообразен, колебания высот в черте города составляет более 100 м. Наиболее низкая центральная и южная части города расположены у берегов рек Читы и Ингоды. От р. Читы по обе ее стороны местность постепенно повышается, достигая в северо-восточной и юго-западной частях города абсолютных отметок 730-760 м и более над уровнем моря. Формирование рельефа происходило в основном под влиянием тектонических и эрозионных процессов юрско-мелового и четвертичного времени.
Значительное влияние на рельеф города оказали реки Чита и Ингода, промывающие широкую долину с пятью надпойменными террасами. По своему образованию они делятся на аккумулятивные, с повышенной мощностью аллювиальных отложений (развиты, в основном, на левобережье р. Читы), и эрозионные, приуроченные к правобережью.
Пойменная терраса р. Читы шириной 1-1,5 км хорошо развита. Поверхность ее ровная, с пологим уклоном в сторону реки. Первая надпойменная терраса возвышается над пойменной террасой р. Читы на 3-5 м, а над поймой р. Ингоды - на 10-15 м. Эта терраса так же, как и пойменная, характеризуется ровной поверхностью. Ширина ее по левому берегу р. Читы 0,5 км, а вдоль правого берега- 3,5 км. Вторая надпойменная терраса (655-670 м над уровнем хморя) хорошо прослеживается севернее города на левом берегу р. Читы. Ширина ее около 1,5 км, и возвышается над уровнем меженных вод на 15-20 м. На правом берегу, эта терраса менее выражена.
Граница между третьей, четвертой и пятой надпойменными террасами слабо выражена. Их высота над уровнем моря достигает 690-790 м. Они занимают наиболее широкое пространство левобережья р. Читы и узкой полосой пятая терраса прослеживается на склонах Титовской сопки. Выше пятой террасы на левом берегу р. Читы простираются склоны хребта Черского.
Современный город располагается в долинах рек Читы и Ингоды и амфитеатром поднимается по отрогам хребта Черского. С юго-запада над городом господствует двугорбая безлесная Титовская сопка, на запад и северо-запад от города расстилается равнинная степная местность, представляющая собой днище Читино-Ингодинской котловины.
Основные водные артерии города - р. Ингода и ее левобережный приток р. Чита. Кроме того, большое хозяйственное значение для Читы имеет расположенное на западной окраине города оз. Кенон.
Река Ингода берет начало на гольце Сохондо и течет с юго-запада на северо-восток по широкой долине. При слиянии с р. Чита она круто меняет свое направление на восточное и излучиной протекает в южной части города. Это типично горная река, с быстрым течением и довольно большой глубиной. Русло реки устойчивое, песчано-галечное, ширина его в пределах города колеблется от 140 до 180 м, а средняя глубина - от 1,1 до 4,0 м (наибольшая глубина 2,2 -5,3 м). Средняя скорость течения 0,6 - 2,0 м/с, наибольшая 1,1 -2,6 м/с.
Река Чита, левобережный приток Ингоды, протекающая через город в направлении с северо-запада на юго-восток, делит его на две почти равные части. Река берет начало на северо-восточных склонах Яблонового хребта. Русло извилистое, разделяется на рукав и протоки. Ширина его в пределах города составляет 50-100 м, средняя глубина 0,21-1,37 м, наибольшая 0,41-1,92 м. Средняя скорость течения 0,08-1,35 м/с, наибольшая 0,14-1,87 м/с. Пойма широкая (1,0-1,5 км) двусторонняя, затопляется при уровне выше 220 см.
Основное питание реки Ингоды и Чита получают в летне-осенний период от дождей (в среднем 60-80 % общего годового стока). На долю подземного питания приходится также 10-20 % общего годового стока.
Характерным для годового хода уровней рек является чередование резких подъемов и спадов уровней воды в теплую часть года и сравнительно низкое и устойчивое их положение зимой. Резкий спад водности рек в меженные периоды обуславливается наличием многолетней мерзлоты, которая препятствует накоплению подземных вод, уменьшая подземное питание рек. В период зимней межени р. Чита почти повсеместно промерзает до дна, а р. Ингода - на перекатах. Продолжительность промерзания р. Читы длится 3-4 месяца. По средним многолетним данным за 40 лет наблюдений р. Чита у города промерзает с 21 декабря по 1 апреля. Наиболее ранее промерзание наблюдалось 26 ноября 1972 года, наиболее позднее - 15 марта 1957 года. Самое раннее возобновление стока отмечалось 12 марта 1963 года, самое позднее - 12 апреля 1958 года. Высокие весенние уровни обычно обусловлены заторными явлениями, которые наблюдаются преимущественно при весеннем ледоходе (конец апреля - начало мая). На р. Ингоде подъем уровня при заторах в пределах города составляет 1-2 м.
Максимальные уровни характерны в основном для паводочного периода (июль - сентябрь), когда наблюдаются затопленные поймы и сельскохозяйственных угодий. Продолжительность летних паводков на реках колеблется от 6 до 46 дней.
Ледостав на реках наступает, как правило, в конце октября. Продолжительность периода с ледовыми явлениями (от появления ледовых образований до очищения реки ото льда) составляет 170-220 дней, средняя продолжительность ледостава колеблется от 150 до 200 дней. Средняя продолжительность ледохода на р. Ингоде 3-5 дней, на р. Чите ледохода не бывает, лед тает на месте. На р. Чите повсеместно в пределах города и его окрестностей наблюдается наледи.
Наибольший расход воды в реках Ингода и Чита, также как и наибольший уровень, приходится на период летних дождевых паводков (июль - сентябрь).
Наиболее высокий дождевой паводок на р. Ингоде за период наблюдений был зафиксирован в 1990 г. (р. Ингода- с. Атамановка, 2760 м3/с), на р. Чите - в 1991 г. (р. Чита-г. Чита, 976 м7с).
На западной окраине города расположено оз. Кенон, средняя площадь зеркала которого 16 км2. Оно имеет почти правильную овальную форму, плавно очерченную береговую линию с единственным заливом Малый Кенон. Длина озера 5,7 км, ширина 2,8 км, средняя глубина 4,4 м, наибольшая - 6,6м. Озеро бессточное, лишь при очень высоком уровне происходит сброс воды в р. Ингоду по старому руслу р. Кайдаловки и по каналу оросительной системы [91].
Для решения поставленных задач выбраны следующие объекты наблюдений за формированием ливневого стока и его качественным составом.
Объект № 1 представляет собой железобетонный коллектор, расположенный в непосредственной близости (250 м) от здания инженерно-экологического факультета Читинского Государственного университета и служащий для перехвата ливневого стока с улиц Столярова и Селенгинской. Створ наблюдений выбран около железобетонного мостика через коллектор. Средний уклон водосбора составляет 0,042, а его площадь - около 42 га. Точное определение площади водосбора затруднено в связи с отсутствием фиксированных границ. (Данная проблема характерна в целом для центральной части г. Читы и обусловлена расположением основных улиц под углом 30...60 к направлению максимального уклона. На перекрестках наблюдаются сложные конфигурации слияния-разделения потоков, зависящие от расхода.) Водосбор является характерным для г. Читы и представлен как современной, так и деревянной застройкой: площадь водонепроницаемых покрытий составляет 70 % от всей площади водосбора.
Основные закономерности формирования качественного состава поверхностного стока
Зависимости коцентрации взвешенных веществ от расхода ливневых сточных вод в первой и второй фазах дождя
- в первой фазе дождя происходит смыв загрязнений, накопившихся за сухой период; - в последующую фазу наблюдается смыв преимущественно более крупных фракций взвеси и вынос слаборастворимых соединений.
Это свидетельствует о том, что продолжительность периода без осадков следует учитывать только для начальной фазы дождя, так как в последующем сохраняется примерно постоянный уровень загрязнения водосбора.
Кроме этого установлено, что расход лицевого стока в замыкающем створе является интегральным показателем как специфических свойств водосбора (площади, уклона, наличия и протяженности канализационных сетей), так и характеристик осадков (продолжительности и интенсивности).
Формирование качественного состава ливневых сточных вод в первой фазе зависит от многих факторов: расхода сточных вод, времени между дождями, массы загрязняющих веществ накопившихся на водосборе за период между дождями, времени дождя и т.д. Поэтому выявление зависимости концентрации загрязняющих веществ в замыкающем створе водосбора от всех этих факторов представляется весьма проблематичным, так как требует большого объема экспериментальных данных, полученных при специальной постановке исследований.
На рисунках 7-13 представлены зависимости концентраций различных ингредиентов в дождевом стоке от расхода в замыкающем створе водосбора. Они свидетельствуют об отсутствии однозначной зависимости между ними. Приводимые ниже зависимости, полученные на основании обработки экспериментальных данных, могут использоваться только для предварительной оценки качества сточных вод в первой фазе:
Во вторую фазу смыв определяется массой загрязняющих веществ, постоянно находящихся на водосборе (депонированных в почво-грунтах, порах дорожных покрытий и т.д.). В этой фазе концентрации ингредиентов однозначно зависят от расхода ливневого стока в замыкающем створе. Концентрация взвешенных веществ с увеличением расхода возрастает, для остальных же ингредиентов, наоборот, с увеличением расхода концентрации снижаются (рисунки 14-20). т г 100 150 Расход, л/с 250 2500 регрессионная зависимость, - точки натурных наблюдений. Рисунок 14 - Зависимость концентрации взвешенных веществ от расхода ливневых сточных вод в средней и завершающей фазах дождя 100 150 Расход, л/с 200 250 Рисунок 15 — Зависимость концентрации нефтепродуктов от расхода ливневых сточных вод в средней и завершающей фазах дождя 600 100 150 Расход, л/с 200 250 регрессионная зависимость, і - точки натурных наблюдений. Рисунок 16 - Зависимость концентрации ХПК от расхода ливневых сточных вод в средней и завершающей фазах дождя 100 150 Расход, л/с 250 Рисунок 17 - Зависимость концентрации БПК от расхода ливневых сточных вод в средней и завершающей фазах дождя 2 Расход, л/с - регрессионная зависимость, - точки натурных наблюдений. Рисунок 18 - Зависимость концентрации железа от расхода ливневых сточных вод в средней и завершающей фазах дождя 2 0,000 0,008 100 150 Расход, л/с Рисунок 19- Зависимость концентрации хрома от расхода ливневых сточных вод в средней и завершающей фазах дождя 2 Расход, л/с регрессионная зависимость, - точки натурных наблюдений. Рисунок 20- Зависимость концентрации меди от расхода ливневых сточных вод в средней и завершающей фазах дождя Статистическая обработка экспериментальных данных для второй фазы позволила получить регрессионные зависимости концентрации ингредиентов в дождевом стоке от его расхода в замыкающем створе: взвешенные вещества Св5% = 0,0062 Q + 0,5417 (см. рисунок 14) R2=0 74 (18) нефтепродукты (см. Стфтц = 4,6943 ехр(-0,0041 Q); рисунок 15) R2=0,78 (19) ХГЖ СХПКц = -75,35 1п(0 + 603,54; (см. рисунок 16) R2=0,58 (20) БГЖ СБПКц = -9,074 ln(g) + 63,024 ; (см. рисунок 17) R2=0 6 (21) Железо СРец = -2,1 - ln(Q) + 15,7; (см. рисунок 18) R2=0 81 (22) Хром ССгц = 0,0019 (0 + 0,0134; (СМ. рИСуНОК 19) R2=Q (23) Медь ССиц =0,16- ехр(0,014-0. (см. рисунок 20) R2=Q 3.3 О ценка выноса загрязняющих веществ с территории г. Читы В таблице 11 приводятся результаты вычисления годовой массы выноса ингредиентов с дождевым стоком с изучаемой территории. Таблица 11 - Вынос загрязняющих веществ с территории города в течение года Видсточныхвод Вынос ингредиентов, т взвешенные вещества нефтепродукты железо медь хром ХПК БПК Хоз.-бытовые 3846,16 149,82 75,22 1,13 0,409 9687,79 5388,4 Дождевые 36845,16 54,361 108,35 0,51 1,53 13610,68 2125,39 Как видно из таблицы 11 масса выноса загрязняющих веществ с дождевым стоком сопоставима с массой выноса неочищенным хоз.-бытовым стоком.
Ниже приводятся графики поступления загрязняющих веществ (рисунки 21, 22) и увеличения их концентрации после попадания ливневого стока с территории города в реку Чита (рисунки 23, 24), а также сводная таблица 12, которая свидетельствует о том, что после внесения загрязняющих веществ содержащихся в дождевом стоке их концентрация в реке по сравнению с фоновой увеличивается в десятки, а в некоторых случаях и в сотни раз.
Математическая модель оптимизации очистки ливневого стока с учетом неравномерности его формирования
Принципиальная возможность установления закономерностей формирования состава дождевого стока с отдельных водосборов позволяет более рационально назначать мероприятия по его очистке. В наибольшей степени это актуально для населенных пунктов, не имеющих централизованной системы ливневой канализации. В них необходимо осуществлять экономически неоправданные мероприятия, так как для достижения нормативных показателей качества требуется создание крайне дорогих инженерных коммуникаций и сооружений, рассчитанных на очистку стока от дождя редкой интенсивности и продолжительности.
Предлагаемый методический подход к выбору водоохранных мероприятий основан на предположении о допустимости кратковременного превышения нормативных показателей качества сбросных вод. Это позволяет производить очистку основного объема стоков со значительно меньшими затратами, чем при гарантированном обеспечении всех нормативных требований. Поэтому выбор оптимальной схемы очистки и параметров сооружений должен базироваться на сопоставлении затрат на ее реализацию и остаточного воздействия очищенных сточных вод на водоприемник.
Эффект от реализации мероприятий по благоустройству и канализованию территории проявляется в общем снижении содержания загрязняющих веществ в поверхностном стоке и в изменении закономерностей их формирования. Более однозначным является эффект от очистки дождевого стока. В качестве примера рассмотрим использование горизонтальной песколовки для очистки поверхностного стока от взвешенных веществ. При известном гидрографе осадков можно с учетом их трансформации на водосборе найти гидрограф стока в замыкающем створе и по зависимости типа (17), установленной для конкретного участка, определить изменение концентрации взвешенных веществ.
Для реализации сформулированной математической модели разработана программа, состоящая из двух блоков.
Первый блок предназначен для расчета трансформации гидрографа осадков в гидрограф стока в замыкающем створе водосбора. За основу данного блока принят метод «изохрон».
Второй блок представляет собой программу вычисления концентрации взвешенных веществ в зависимости от расхода сточных вод, массы взвешенных веществ на входе и выходе из горизонтальной песколовки и эколого-экономических показателей очистки.
Программный модуль «песколовка», также разработан в среде Microsoft Excel. Исходными данными для нее являются: гидрографы дождевых сточных вод за все дожди, вычисленные с использованием модуля «гидрограф» и зависимость концентрации взвешенных веществ от расхода сточных вод в замыкающем створе данного водосбора. Моделирование заключается в вычислении при различных параметрах песколовки для различных моментов времени концентрации взвешенных веществ, их массы на входе и выходе из горизонтальной песколовки и эколого-экономических показателей очистки (эффективности очистки, затрат и остаточного ущерба).
Фрагменты окна программного блока "песколовка" Расчет приведенных затрат на очистку ливневых сточных вод от взвешенных веществ производится для каждого варианта песколовки в соответствии с действующими нормативными документами по ценообразованию в строительстве (ГЭСН-2001) в зависимости от объема строительно-монтажных работ. Моделирование процесса очистки производится в следующей последовательности: 1) для каждого интервала времени в зависимости от расхода, найденного с использованием программы «гидрограф», определяется концентрация взвешенных веществ по зависимости (17); 2) по (34)-(37) находятся гидравлические параметры потока в песколовке, а затем по (ЗО)-(ЗЗ) - параметры осаждения частиц различных фракций; 3) по (28) вычисляется масса взвешенных частиц различных фракций, поступивших в песколовку за рассматриваемый интервал времени, а затем — их масса, задержанная песколовкой.
После выполнения аналогичных расчетов для каждого дождя находится суммарная масса на входе и выходе из горизонтальной песколовки (за все дожди рассматриваемого периода) по зависимости (27). Это позволяет определить эколого-экономические показатели очистки (ее эффективность и среднегодовой остаточный ущерб).
