Введение к работе
Актуальность темы. В большинстве регионов Российской Федерации и стран СНГ основным источником централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения в настоящее время являются поверхностные воды рек, водохранилищ и озер, на долю которых приходится 65-68% от общего объема забора воды. Они же являются основными приемниками сточных вод. Многофакторные антропогенные нагрузки на поверхностные водоисточники на урбанизированных территориях достигли критического уровня, качество воды в подавляющем большинстве из них не отвечает требованиям водопользователей и санитарным нормам.
Кроме того, огромный вред наносят водным объектам участившиеся сбросы загрязняющих веществ в результате аварий и техногенных катастроф в промышленности, ЖКХ, АПК, на транспорте и трубопроводах, приводящие к значительному экономическому и экологическому ущербу, создающие угрозу безопасности населению. Опасно высокое аварийное загрязнение водотоков и водоемов нарушает работу водозаборных сооружений, затрудняет, а порой и полностью парализует снабжение потребителей водой необходимого качества. Поэтому очень актуальной является задача оперативного прогнозирования ожидаемого уровня загрязнения в контрольном створе водотока с целью принятия адекватных и своевременных организационно-управленческих решений по устранению последствий аварии.
Следует особо отметить, что 98,8% всего количества рек в нашей стране -малые реки. Экстремальные аварийные загрязнения для них особенно опасны, так как малые реки, во-первых, наиболее уязвимы по определению, во-вторых, они формируют водный и гидрохимический режимы средних и крупных водотоков, определяют их экологическую специфику. В-третьих, системы локального мониторинга состояния воды на малых реках, как правило, отсутствуют, полной исходной информации о параметрах аварии нет.
Поэтому целью работы является разработка простых, удобных в применении, малозатратных, но достаточно точных методов прогнозного расчета концентраций загрязняющих веществ при аварийных сбросах в малые водотоки, исходя из минимума исходных данных.
Задачи исследования:
-получение удобных и надежных расчетных зависимостей для прогнозного расчета концентраций загрязняющих веществ в малом водотоке в результате аварийного сброса на каждом этапе их распространения;
-осуществление комплексного подхода к оценке влияния основных источников загрязнения реки (аварийные сбросы, притоки, подземные соды), определение их суммарного воздействия в виде суперпозиции полей концентраций загрязняющего вещества каждого из перечисленных источников;
-проверка надежности полученных методов расчета сравнением их с натурными данными для малых рек Северного Кавказа, а также с наиболее точными из существующих в настоящее время методами расчетов характеристик полей концентрации загрязнений;
-исследование значений коэффициента продольной турбулентной диффузии Dx, полученных в результате натурных исследований, на основе множественной линейной регрессии.
Методика исследований базируется:
- на решении методами операционного исчисления (преобразование Лапласа) ряда краевых задач, основанных на уравнении турбулентной диффузии и адаптированных для случаев аварийного сброса сточных вод в малые водотоки;
- на проведении корреляционно-регрессионного анализа результатов лабораторных исследований с целью изучения зависимости коэффициента продольной турбулентной диффузии от гидравлических характеристик водотока и интенсивности сброса загрязняющих веществ.
Научная новизна:
1. Разработан ряд прогнозных математических моделей для оперативного
определения концентраций загрязняющих веществ, попадающих в малые
равнинные реки в результате аварийных сбросов в саму реку, в приток, в
сопряженный с рекой подземный водоносный пласт. Таким образом,
учитывается комплекс факторов, влияющих на состояние речной системы.
2. Наряду с ограниченными по времени однократными аварийными
сбросами различной формы рассмотрен случай от-кратного повторяющегося
сброса загрязнений в реку и случай длительного аварийного сброса (авария еще
не закончилась к моменту начала расчета), получены формулы для определения
концентрации в подобных ситуациях.
3. Разработана методика корреляционно-регрессионного анализа характеристик системы водоток - сброс загрязнений (на примере коэффициента продольной турбулентной диффузии Dx) с использованием современных компьютерных приложений и содержательного графического материала в прикладной области охраны водных ресурсов.
Практическая значимость работы заключается в том, что результаты исследования сформулированы в виде практических рекомендаций по расчетам концентраций загрязнений, попавших в малый водоток в результате аварии, причем рассматриваются разные пути попадания аварийных сточных вод в водоток.
Полученная в работе множественная корреляционно-регрессионная модель зависимости коэффициента продольной турбулентной диффузии Dx от гидравлических характеристик потока в лотке может также использоваться для природного водотока вследствие принципа подобия при соответствующем масштабировании параметров модели (рекомендации даны в работе).
Кроме того, предложенная в диссертации методика корреляционно-регрессионного анализа вследствие своей универсальности может быть использована для решения других задач гидравлики и инженерной гидрологии, связанных с обработкой больших массивов данных натурных экспериментов.
На защиту выносятся:
- экспресс-метод определения концентраций загрязнений в малых
водотоках при аварийных сбросах и некоторых случаях непрерывного
поступления сточных вод;
графический способ определения параметров зоны загрязнения водотока в результате аварии;
способ практического прогнозного расчета уровня загрязненности реки, если аварийный сброс произошел в приток, в сопряженный с рекой подземный водоносный пласт;
методика корреляционно-регрессионного анализа зависимости коэффициента продольной турбулентной диффузии Dx от гидравлических параметров водотока по результатам лабораторных исследований в гидравлическом лотке.
Результаты диссертационной работы использованы:
в отчете по НИР ОАО «Севкавгипроводхоз» «Комплексное использование и охрана вод Терского бассейна;
- в методических рекомендациях ГХИ (Ростов-н/Д) по расчету аварийных сбросов на малых реках.
Апробация работы. Основные положения и отдельные результаты докладывались на Международной научно-практической конференции «Ресурсосберегающие экологически безопасные технологии мелиорации рекультивации и охраны земель» (г. Новочеркасск, 2003 г.); научно-практической конференции студентов и молодых ученых НГМА «Проблемы мелиорации и водного хозяйства» (г. Новочеркасск, 2003-2005 гг.) Международной научно-практической конференции «Гидрология в начале XXI века» (г. Новочеркасск, ЮРГТУ (НПИ), 2006 г.); V Всероссийской научно-практической конференции «Окружающая среда и здоровье» (Пенза, РИО ПГСХА, 2008 г.); Международной научно-практической конференции «Проблемы геологии, палеонтологии, геоэкологии и рационального водопользования» (Новочеркасск, ЮРГТУ, 2010 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано в открытой печати 11 работ, из которых 2 - в рекомендуемых ВАК изданиях.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка использованной литературы и приложений. Общий объем работы составляет 183 страницах машинописного текста, включая 20 рисунков, 16 таблиц и 12 приложений. Библиографический список содержит 147 наименований.
