Введение к работе
Актуальность. В настоящее время миропонимание человечества достигло такого уровня, который позволяет сформулировать принципы его взаимодействия с окружающей средой. Касаясь конкретно водных ресурсов, можно сказать следующее: есть все основания считать воду критическим критерием устойчивого развития - не только в экономико-экологическом смысле, но и в социально-эстетическом отношении.
Для удовлетворения потребностей человека в воде общество создало сложные ВХС, по своей структуре состоящие из взаимосвязанных подсистем: природной, технической и экономической. Наличие в структуре BXG рек, озер, водохранилищ и каналов объективно требует решения ряда водоохранных проблем, возникающих в процессе их эксплуатации или создания.
Для Уральского региона, в частности, сброс сточных вод -реальность современного технологического уровня, которая будет реализоваться еще в течение длительного времени. Вполне естествен вопрос о динамике и направленности процессов самоочищения от поступающих со сточными водами (даже с нормативно очищенными) ингредиентов и о возможном вторичном загрязнении, поскольку на разбавление остаточных загрязнений на Урале нет свободных водных ресурсов. Водохозяйственная и санитарная практика показала необходимость учета таких процессов.
Основным источником воды для ВХС являются, как правило, реки и созданные либо проектируемые на них водохранилища, на гидрохимический режим которых оказывает значительное влияние хозяйственная деятельность на водосборе и акватории.
При эксплуатации существующих водохранилищ возникает ряд задач, основными из которых являются сохранение или улучшение качества воды и гидробиологического режима при хозяйственном воздействии на водоисточник, для чего требуется прогнозирование их состояния при фактических антропогенных нагрузках на них.
При создании нового водохранилища конкретного назначения уже на стадии ТЭО возникает вопрос о соответствии его гидробиологического и гидрохимического состояния требованиям, предъявляемым к нему заказчиком, на что должен ответить прогноз его режима в заданном конкретном створе.
На Урале источником воды для водоснабжения населения могли бы служить и озера, но в настоящее время преобладающее их количество вследствие естественного и антропогенного евтрофирования находится в состоянии, не позволяющем их эксплуатацию без проведения восстановительных мероприятий, выбор которых в настоящее время велик. Но для восстановления 1 конкретного водного объекта оптимальны отдельные из них или их набор.
Таким образом, наличие в ВХС таких компонентов, как реки, каналы, водохранилища, порождает ряд частично или полностью нерешенных проблем, из которых можно выделить наиболее актуальные и сложные:
прогноз качества воды водотоков при антропогенной нагрузке с учетом процессов вторичного загрязнения и самоочищения, использование самоочищения в качестве фактора формирования заданного качества воды;
прогноз гидрохимического и гидробиологического состояния проектируемых водохранилищ, выбор конкретных водоохранных мероприятий, которые будут способствовать формированию заданного качества воды в создаваемых водохранилищах;
прогноз гидрохимического и гидробиологического состояния водохранилищ при длительных сработках уровней;
выбор методов восстановления евтрофных водоемов, использование которых в народном хозяйстве экономически и экологически целесообразно;
- регулирование качества воды водных объектов, входящих в ВХС.
Главной целью диссертации является разработка методов прогноза
гидробиологического и гидрохимического состояния водных объектов Урала, как эксплуатируемых, так и проектируемых, и регулирования качества воды водотоков и водоемов УЭР, основанных на результатах исследования комплексного влияния на водные объекты различных видов хозяйственной деятельности.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
изучить закономерности процессов вторичного загрязнения от источников, сформировавшихся под воздействием различных видов хозяйственной деятельности;
изучить закономерности процессов самоочищения водных объектов от различных ингредиентов в условиях, максимально приближенных к натурным;
изучить динамику поступления лимитирующих биогенных элементов в водную массу из внутренних источников (донные отложения, водная растительность), взаимосвязь между потоком лимитирующего биогенного элемента и физико-химическими свойствами воды и продукционными процессами;
разработать расчетную методику определения потока лимитирующего биогенного элемента с территории водосбора.
Предметом исследования являются динамика процессов ассимиляции ингредиентов биоценозами водных объектов, вторичного загрязнения, взаимосвязь между поступлением биогенных элементов, состоянием освоенности площади водосбора, морфометрическими параметрами водоемов и их гидрохимическим и гидробиологическим состоянием.
Объектом исследования являются водотоки и водоемы Уральского региона.
Работа выполнена в соответствии с тематикой работ, выполняемых Урал-НИИВХ в период 1975-1990 гг.
В основу исследований положены лабораторное, математическое и натурное моделирование, системный комплексный подход к анализу полученных автором и имеющегося в литературе материала. Для количественного описания опытных данных были использованы стандартные методы математической статистики и пакет статистических прикладных программ для ПЭВМ "Statgrafics".
Научная новизна работы:
впервые получены кинетические зависимости процессов самоочищения природных вод Урала от соединений наиболее распространенных металлов при различных условиях функционирования водных экосистем и внешних факторов;
впервые определены ограничительные концентрационные условия и зависимости функционирования отдельных звеньев гидробиоценоза в водных системах, содержащих соединения отдельных металлов;
впервые получены кинетические и количественные параметры вторичного загрязнения водных объектов продуктами микробиальной деструкции сульфидных минералов, поступивших в водотоки и на водосбор в результате хозяйственной деятельности и при трансформации донных отложений различного состава в зависимости от внутренних и внешних факторов;
для условий типичных водных объектов Урала при расчете баланса биогенных веществ введены составляющие, регулируемые внутриводоемными процессами;
впервые определена сорбционная емкость оксигидратов железа по отношению к соединениям металлов в условиях водного объекта;
для условий типичных водных объектов Урала разработаны математические модели, отражающие участие в процессах круговорота фосфора основных звеньев биоценоза;
для условий типичных водоемов Урала разработаны математические ^ модели для учета процессов вторичного загрязнения при прогнозе' качества воды водотоков.
На защиту выносятся: теоретические и экспериментальные положения, выводы по разработке основ прогноза качества воды в малых реках, подверженных интенсивному антропогенному воздействию, прогноза гидробиологического и гидрохимического состояния проектируемых и эксплуатируемых водохранилищ и методов регулирования качества воды водных объектов.
Практическая значимость: на основе научных результатов диссертации выполнены разработки, позволяющие проводить прогноз качества при-
родных вод при интенсивном антропогенном влиянии на них, проводить выбор наиболее оптимального метода восстановления зарастающего водоема, регулировать качество воды по содержанию таких компонентов, как соединения металлов. В частности, разработаны:
методика прогноза качества воды малых рек с учетом процессов вторичного загрязнения и самоочищения; '
методика прогноза гидрохимического и гидробиологического состояния проектируемых водохранилищ;
рекомендации по выбору метода восстановления и мелиорации евтроф-ного водоема;
методика прогноза гидрохимического и гидробиологического состояния водохранилищ при. заданном режиме эксплуатации;
методика организации защиты малых рек от рассеянного стока, содержащего ионы черных и цветных металлов;
технологический расчет параметров ботанической площадки.
Результаты работы используются в лекционном курсе "Охрана окружающей среды" (УПИ им.С.М.Кирова, кафедра водного хозяйства и технологии воды) для специальностей 1204, 1217, НИМИ, кафедра ГРИиОВР для специальности 31.10, Уральском институте народного хозяйства при чтении курса "Прогнозирование и планирование природопользования в регионе".
Основные результаты работы внедрены:
в практику проектирования институтов "Южгипроводхоз", "Уралводока-налпроект", "Свердловскгражданпроект", Проектно-технологического бюро УралНИИВХ;
при разработке прогноза качества воды и определении параметров нагрузок на водохранилища. ПО "Свердловэнерго";
при разработке биологического способа регулирования качества воды по специфическим для медеплавильной промышленности компонентам - Крас-ноуральским медеплавильным комбинатом и Кыштымским медеэлектролит-ным комбинатом;
Дегтярским филиалом Уралхиммаша при разработке мероприятий по восстановлению оз.Ижбудат.
Полученные автором материалы вошли во "Временные методические рекомендации к разработке прогнозов изменений медико-биологической обстановки в связи с территориальным перераспределением водных ресурсов", в "Методические указания к экспериментальному изучению процессов трансформации химических веществ при их гигиеническом регламентировании в воде", утвержденные Минздравом РСФСР и СССР 1984 и 1985 гг. соответственно, и в методические рекомендации "Санитарная охрана водоемов и атмосферного воздуха в районе размещения предприятий цветной металлургии", утвержденные Минздравом РСФСР в 1990 году.
Результаты исследования использованы при обосновании и составлении схемы комплексного использования и охраны водных ресурсов Уральского экономического района.
Фактический экономический эффект от внедрения в производство составил 2,6 млн руб., расчетный - от внедрения в проекты - 4 млн руб.
Апробация работы. Основные результаты исследований доложены и обсуждены-на 5, 6, 7, 8 Всесоюзных симпозиумах по современным проблемам качества воды водоемов (Таллин, 1975, 1979, 1987, 1990 гг.); 26, 27, 29 Всесоюзных гидрохимических совещаниях (Новочеркасск, Ростов-на-Дону, 1975, 1979, 1987 гг.); Всесоюзном совещании "Биофизические аспекты загрязнения биосферы" (Москва, 1973 г.); 4 Всесоюзном совещании "Круговорот вещества в водоемах" (Лиственичное-на-Байкале, 1977 г.); Всероссийской конференции "Гигиенические аспекты охраны внешней среды и оздоровления условий труда при развитии крупных промышленных комплексов в Сибири" (Москва, 1977 г.); Всесоюзной конференции "Оценка и классификация качества природных вод для водопользования" (Харьков, 1979 г.); Всесоюзном совещании "Круговорот энергии и вещества в водоемах" (Иркутск, 1981 г.); 3 Всесоюзном симпозиуме "Антропогенное евтрофирование водоемов" (Москва, 1983 г.); Всесоюзном симпозиуме "Научные основы оптимизации, прогноза и охраны природной среды" (Москва, 1986 г.); Всесоюзном лимнологическом совещании "Водные экосистемы, структура, продуктивность..." (Лиственичное-на-Байкале, 1985 г.); Всесоюзном симпозиуме "Биотехнические и химические методы охраны окружающей среды" (Самарканд, 1988 г.); на ряде региональных и координационных совещаний, конференций и семинаров, а также на ВДНХ СССР и РФ путем экспонирования технологии регулирования качества воды в водных объектах, г.Москва, 1989, 1992 гг.
Публикации: По теме диссертации материал опубликован в 2 монографиях, 43 статьях, 23 тезисах докладов, 5 брошюрах, получено 5 авторских свидетельств. Под руководством автора, был подготовлен и опубликован сборник "Прогноз и регулирование качества воды".
Объем и структура работы: Диссертация состоит из введения, восьми глав, выводов, списка использованной литературы, включающего 301 наименование и приложения. Работа изложена на 262 страницах машинописного текста, содержит 84 рисунка и 55 таблиц. В приложении представлены сведения о внедрении и экономическом эффекте.
Автор выражает глубокую признательность коллективу отдела восстановления рек и водоемов РосНИИВХ за большую помощь при выполнении настоящей работы.