автореферат диссертации по строительству, 05.23.04, диссертация на тему:Прогноз уровней загрязнения воды малых рек в условиях аварийных сбросов

На правах рукописи

МАКУХИНА ОЛЬГА ВИКТОРОВНА

ПРОГНОЗ УРОВНЕЙ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ВОДЫ МАЛЫХ РЕК В УСЛОВИЯХ АВАРИЙНЫХ СБРОСОВ

05.23.04 Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

- 7 ОКТ 20Ю

Волгоград - 2010 г.

004610078

Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Новочеркасская государственная мелиоративная академия»

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор КОНДЮРИНА

ТАТЬЯНА АЛЕКСАНДРОВНА

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор КИЧИГИН

Защита состоится 15 октября 2010 г. в 13 на заседании диссертационного совета ДМ 212.026.05 при ГОУ ВПО Волгоградском государственном архитектурно-строительном университете по адресу: 400074, г. Волгоград, ул.Академическая, 1 (корп. Б, ауд. 203).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета.

Автореферат разослан 15 сентября 2010 г.

Ученый секретарь

ВИКТОР ИВАНОВИЧ ГОУ ВПО «Самарский государственный архитектурно-строительный университет»

кандидат технических наук, доцент ЗЕМЧЕНКО

ГАЛИНА НИКОЛАЕВНА ГОУ ВПО «Южно- Российский государственный технический университет» (НПИ)

Ведущая организация:

ГОУ ВПО «Ростовский государственный строительный университет»

диссертационного совета

Юрьев Ю.Ю.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ 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 Д,, 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 /Л) 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 Вх 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 Ох 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.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность проблемы, сформулированы цель, задачи исследования, ее научная новизна и практическая значимость.

В первой главе дается общая характеристика формирования качества воды в водотоках, при этом рассматривается одна из главнейших составляющих - концентрация загрязняющего вещества. Проведен краткий обзор основных методов прогнозирования, в частности, математического моделирования процессов трансформации загрязняющих веществ в водотоках.

Для прогнозирования качества речных вод А.Е. Косолапов, A.M. Черняев, Т.А. Кондюрина, В.Г. Пряжинская, А.Э. Саава, Х.А. Вельнер и другие рекомендовали применять вероятностные (стохастические) методы.

Основной детерминированной математической моделью, наиболее точно описывающей распространение загрязняющего вещества в водотоке, является трехмерное дифференциальное уравнение турбулентной диффузии, полученное

В.М. Маккавеевым. Численные и аналитические решения различной степени точности для данного уравнения и его упрощенных модификаций в совокупности с соответствующими краевыми условиями предлагались A.B. Караушевым, В.А. Фроловым, ИД. Родзиллером, В.И. Кичигиным, Г.Г. Кривошеевым, JT.JI. Паалем, В.В. Мороковым, И.С. Шаховым, Г.В. Филькиным и др.

Основой предложенных математических моделей является процесс турбулентного перемешивания сточных вод с водами реки. Большинство из них рассчитаны на случай стационарного поступления загрязнений в водотоки и не могут применяться при прогнозировании ограниченных по времени аварийных ситуаций вследствие разницы в краевых условиях.

Моделированием аварийных ситуаций в водотоках занимались О.А Клименко, A.B. Быстров, А.Я. Шварцман, H.H. Шагалова. К недостаткам предложенных ими методов можно отнести то, что для осуществления прогноза требуется большой объем исходных данных, наличие специальных компьютерных программ и подготовленных надлежащим образом специалистов, что может оказаться неприемлемым с точки зрения затрат и дефицита времени в чрезвычайной ситуации, отсутствие системности в масштабах отдельно взятой реки или даже некоторого ее участка, так как при прогнозировании не учитываются влияние целого ряда внешних факторов (притоков, подземных вод и т.д.), а также специфика малых водотоков.

В главе также проведен обзор методов определения одного из основных параметров используемых моделей - коэффициента турбулентной диффузии водотока, достаточно хорошо исследованного в поперечном и вертикальном направлениях. Вопрос о коэффициенте Dx продольной турбулентной диффузии вдоль водотока требует дальнейшего изучения.

Во второй главе получен ряд расчетных зависимостей для определения концентраций загрязнений при аварийных сбросах в малые водотоки.

В работе предлагается к рассмотрению математическая модель диффузионного процесса, адаптированная для случая малого водотока в аварийной ситуации, дающая возможность быстрого приближенного расчета концентраций загрязнений в исследуемом створе (экспресс-метод).

За основу берется общее уравнение трехмерной турбулентной диффузии В.М. Маккавеева, которое после ряда допущений, соответствующих малому водотоку, приводится к виду:

где концентрация исследуемого вещества загрязнения, г/м3; х -

расстояние по течению реки от свора выпуска сточных вод до исследуемого створа, м; £> = - коэффициент продольной турбулентной диффузии, м2/с: К„- коэффициент неконсервативности вещества загрязнения, 1/с; V-средняя скорость течения вдоль водотока, м/с.

Уравнение (1) является дифференциальным уравнением в частных производных относительно функции $ = Аналитическое решение его

можно получить, используя методы операционного исчисления, подобно тому, как это сделал немецкий ученый Г. Деч, решивший с помощью преобразования Лапласа одномерное уравнение теплопроводности, которое математически аналогично уравнению (1).

Запишем краевые условия для уравнения (1).

1) Начальным условием принимается то, что в начальный момент времени / = 0 поток не загрязнен:

4.0=5(х,0) = 0. (2)

Если в потоке выше створа сброса сточных вод содержался рассматриваемый ингредиент загрязнения в концентрации , то

■?Ц=5М = 5о. (3)

Обычно в качестве начальной концентрации .V, выступает фоновая или естественная концентрация данного ингредиента загрязнения.

2) Граничное условие в начальном створе записывается в виде:

¿и = £((М)= £•(<), /го. (4)

Функция называется функцией сброса, она характеризует

распределение концентрации загрязнений в створе выброса сточных вод и зависит от эпюры выпуска сточных вод. При этом учитывается специфика аварийного сброса - источник загрязнения нестационарный. Основные случаи эпюр аварийного сброса представлены на рис. I. а)'-^ б) '"(«)+ в)/;(')"

г 0 г 2г ( 0 г 2г Зг 4г 5г I

Рис.1. Виды эпюр аварийных сбросов

Здесь г - время, характеризующее режим аварийного сброса, концентрация поллютанта в сточной воде.

В качестве граничного условия справа принимается ограниченность концентрации на бесконечном удалении от створа выпуска сточных вод:

5(w,/) <00. (5)

В данной главе получен ряд зависимостей для прогнозных расчетов концентраций аварийных загрязнений в малых водотоках.

Например, для случая, когда происходит резкий аварийный выброс загрязнений с последующим резким его прекращением спустя некоторое время г, с постоянным в течение этого промежутка расходом сброса qcm и концентрацией загрязняющего вещества Scm (рис. 1а), получена формула, определяющая концентрацию вещества в волне загрязнения, проходящей створ водозабора, расположенный на расстоянии х от места сброса по истечении заданного времени t от начала аварии:

" Н vsb Н ли г-' (6)

1 г

где Ф(-) = [е 2 dq . функция Лапласа (интеграл вероятностей), значения

о

которой затабулированы.

Если аварийный сброс вызвал значительное (свыше 10 %) увеличение расхода водотока, следует провести корректировку средней скорости течения

у Q + Я cm

a '

где Q - расход реки, qcm - расход сточных вод; © - площадь поперечного сечения речного потока ниже места аварийного сброса.

Расчеты по формуле (3) можно производить на ПЭВМ с использованием, например, системы символьных (аналитических) математических преобразований Math Туре 5.

По полученной расчетной зависимости (3) с применением графического редактора формул математической компьютерной системы Maple 6 построены графические функции S = S(x,t), где S - концентрация загрязняющего вещества, которые наглядно демонстрируют динамику загрязнения реки в

фиксированном контрольном створе на расстоянии от сброса х в любой момент времени '(г < /).

Схема движения волны загрязнения через последовательность створов, расположенных на расстоянии х{,хг,хг от места сброса, построенная по результатам расчета концентраций по формуле (3) представлена на рис.2.

и[х,1).

А

/ 1 \ ! i Л) \j / i ^

О ^ фр ^ max ^Л'в f

Рис.2. Движение волны загрязнения вдоль водотока при однократном выбросе загрязнений Располагая таким графиком можно определить не только концентрацию S(x,i) исследуемого ингредиента загрязнений в любой момент времени f, но и такие временные параметры волны, как *тах - ожидаемый по прогнозу момент прохождения пика загрязнения через створ х; - ожидаемое время добегания фронта волны загрязнения к фиксируемому створу х; 1хв - ожидаемое время, когда хвостовая часть волны покинет створ х; тх = !хв - - промежуток времени, в течение которого пятно загрязнения проходит створ, т.е. время, в течение которого наблюдаются соотношения Sth >S„ и S„<S„.

В случае если происходит м аварийных выбросов, примерно одинаковых по продолжительности г и с равными временными интервалами между сбросами, также равными г (так называемый «пульсирующий» сброс, рис. 1в), то для ориентировочного прогноза концентрации загрязнения на расстоянии х от места аварии в любой момент времени, I > (2/и-1)г возможно использовать формулу:

Для случая /н-кратного сброса загрязнений в водоток:

x(v-Jv2+adk } . , f Г , ч I—;-\\

V 4_I 2т-1

S = 0,5SCMe

1-2 Ф

\

-(/-»г)а/К2+4рл; j2D{t-nr)

где m - количество произведенных сбросов, п - переменная суммирования.

В качестве примера использования формулы (7) на рисунке 3 приведена схема распределения концентраций загрязнений, проходящих через створы х1>х2,х3 при трехкратном ('«=3) выбросе аварийных стоков.

Рис.3. Схема распределения загрязнений при трехкратном аварийном

выбросе

С целью наилучшей визуализации процесса изменения концентраций загрязнений в водотоке построены также трехмерные графики зависимости 5 = 5 (х, 0 (рис.4).

Рис.4. Трехмерный график распределения концентраций загрязнений вдоль

водотока

Расчетные зависимости, полученные во второй главе проверены сравнением с данными натурных наблюдений на реке Шахтаум, с другими способами вычисления концентраций загрязнений, изложенными в работах O.A. Клименко и A.B. Караушева.

Третья глава посвящена разработке методов расчета уровня загрязнений для некоторых случаев длительного режима поступления сточных вод.

Формулы для ориентировочного прогноза уровня загрязнения по протяженности водотока для некоторых случаев непрерывного поступления

11

загрязненных сточных вод (рис. 5) получены в результате решения задачи Коши для уравнения турбулентной диффузии (1) с краевыми условиями (2-4) также с помощью операционного исчисления.

а)

т

£

б)

5,

О Г < 0 1 "7

Рис.5. Эпюры непрерывных сбросов сточных вод в водоток Например, для случая сброса, показанного на рисунке 56, получена формула для определения концентрации загрязнения в водотоке в зависимости от времени и расстояния от места сброса: ¡(у-^у'^рк^) ^

5 = 0,55ст • е

1-2 Ф

+ 4Ж,

+ 5„

(8)

Следует отметить, что эпюры сброса загрязнений, изображенные на рисунке 5, можно интерпретировать как пролонгированный аварийный сброс. Другими словами, это есть случай длительной аварии, не закончившейся к моменту начала прогнозного расчета.

Интересным, на наш взгляд, является и случай циклического сброса сточных вод. Бесконечный периодический процесс впуска загрязнений в реку представлен на рис. 1в при Для него получены расчетные зависимости,

позволяющие прогнозировать уровень загрязнения по длине водотока.

В данной главе приведен пример прогнозного расчета распространения загрязнений в реке Подкумок, район Кавказских Минеральных вод, при наличии нескольких стационарных источников сточных вод. При этом используется метод, состоящий в решении последовательности краевых задач, основанный на полученных в главе расчетных формулах.

В главе четвертой разработана множественная регрессионная модель определения коэффициента продольной турбулентной диффузии Ох в реке.

Для адекватного описания процессов распространения загрязнений в водотоках важную роль играет корректное определение параметров этого процесса. Одним из основных параметров является коэффициент турбулентной диффузии, причем, в вертикальном и поперечном направлениях водотока он

изучен достаточно хорошо. Определение его вдоль потока представляет наибольшую трудность. Экспериментальное измерение коэффициента продольной турбулентной диффузии Dx является технически сложной и трудоемкой задачей, поэтому значительный интерес представляют методы его косвенного определения по данным, регистрируемым станциями гидрологического контроля, или, как в данной работе, по результатам лабораторных испытаний, проведенных на гидравлической модели водотока.

Рассмотрены следующие доминирующие факторные признаки: расстояние до водовыпуска L, ширина потока В, глубина потока Н, расход О, расход притока q, коэффициент извилистости (р.

В качестве базы данных использованы результаты экспериментов, проведенных на гидравлическом лотке.

Исследовались процессы смешения при стационарном выпуске индикатора в основной поток.

Офисный компонент EXCEL позволяет при построении уравнения множественной линейной регрессии автоматизировать большую часть работы.

Воспользовавшись надстройкой Пакет анализа, можно получить оценки параметров уравнения регрессии и проверить их значимость, воспользовавшись критерием Стьюдента, а так же оценить статистическую значимость уравнения регрессии в целом, используя критерий Фишера.

Получено выражение, описывающее множественную регрессионную зависимость коэффициента турбулентной диффузии от морфометрических и гидрологических характеристик водного потока:

Dx = 0,0715 +0,0187 -Л-0,0108 • В + 0,0184 ■ Я - 0,0741 6 + 4,5989-q- 0,0657-<р (9)

Проверено качество зависимости (9) с помощью коэффициентов детерминации, ошибки аппроксимации, стандартной ошибки регрессии, величины которых подтвердили удовлетворительное качество модели.

Проведен анализ подобия лотка и природных водотоков, разработаны практические рекомендации по использованию полученной корреляционно-регрессионной модели для Д, при прогнозных расчетах распространения загрязнений в малых реках.

В пятой главе рассмотрен комплекс факторов окружающей среды, оказывающих воздействие на природный водоток. Выделены четыре основных фактора загрязнения: естественное фоновое загрязнение, как результат накопленного ранее выше начального створа количества вещества-загрязнителя; загрязнение, поступившее с водами притока; загрязнение реки посредством фильтрации подземных вод, из сопряженного с руслом водоносного пласта; аварийное загрязнение.

Предпринята попытка оценить суммарное комплексное влияние перечисленных факторов формирования качества воды в реке в виде суперпозиции скалярных полей концентраций загрязняющего вещества, создаваемых каждым из четырех видов источников загрязнения:

Результирующее поле концентраций загрязняющего вещества в реке в контрольном створе х можно приближенно оценить по формуле

Весовые коэффициенты а, в этой формуле, определяющие вклад каждого источника загрязнения в кумулятивную концентрацию вещества загрязнения в реке, предложено оценивать отношением расходов каждого источника к суммарному расходу воды в реке:

где £>„ - расход реки; - расход притока; Q1- расход подземных вод, переходящих в реку из водоносного пласта, сопряженного с руслом; -расход аварийного сброса сточных вод.

Несмотря на определенную приближенность приведенной математической схемы моделирования комплекса гидрологических явлений при распространении загрязнений в водотоке, она позволяет удовлетворительно решать практические задачи прогноза качества воды в водотоке при наличии нескольких источников загрязнения.

¿ = 0;3.

(10)

б,

(И)

В главе выведены с помощью преобразования Лапласа аналитические зависимости для прогнозного расчета концентраций загрязнений в главной реке, если аварийный сброс произошел в приток. Приведен пример прогнозного расчета для малых рек Терского бассейна (Северный Кавказ) (табл. 1).

Рассмотрен еще один важный фактор загрязнения вод малых рек -проникновение загрязняющих веществ в водоток вместе с подземными водами.

Исследован механизм проникновения и распространения загрязнений в подземном водоносном пласте. Рассмотрена краевая задача, основанная на решении методами операционного исчисления уравнения миграции вещества в природных подземных пластах для случая линейного распространения загрязнений в направлении от источника загрязнения до исследуемого пункта, находящегося на расстоянии х от места сброса:

= (12)

дх дх т т т & 1 1 т аг 1 ! д! й

Здесь 5 = ¿'(х,/) - искомая концентрация мигрирующего вещества загрязнения (г/м3); О - коэффициент дисперсии (м2/с); V - скорость фильтрации в продольном направлении (м/с); й>! и сц, - скорость фильтрации воды на границах пласта в вертикальном сечении, т.е. на кровле и подошве соответственно (переток воды из соседних горизонтов или атмосферы);

, , , - концентрации компонента загрязнения и коэффициенты дисперсии для слоев кровли и подошвы; г, и гг - координаты кровли и подошвы по вертикали (м); т - мощность пласта (м); п- коэффициент пористости; N - концентрация компонента, убывающего из раствора (поглощаемого породой, сорбируемого) или, напротив, поступающего в раствор в результате внутренних физико-химических реакций (г/м3); /-время

(с).

Для случая изолированного пласта и нейтрального компонента загрязнения уравнение (12) упрощается и решается аналитически с помощью преобразования Лапласа. Получены зависимости для непрерывного (13) и

я Этап

—I Терек Камби-леевка Собачья Балка Река

К) чо ю К) сл Ширина В, м

0,69 р 0,25 Глубина Я, м

0,05 р о 0,04 Коэффициент шероховатости пш

18,7 22,3 19,84 Коэффициент Шези С

00 ЧЭ 35,9 ОО Коэффициент турбулентной диффузии Д> м2/с

о о\ чр о о Оч чр о О Оч чр р ш Коэффициент неконсервативности К„, 1/с

8500 10000 16000 Контрольное расстояние (по течению) х, м

1 0,93 о Средняя скорость течения V, м/с

о 00 "о Продолжительность впуска ЗВ т, ч

27,05 25,6 ы е\ Время прихода волны ЗВ в КОНТРОЛЬНЫЙ СТВОр 1фр, ч

27,85 26,4 22,8 Время ухода волны ЗВ 1„, ч

р Ъо о 00 ы Продолжительность опасного загрязнения т0„, ч

27,6 26,0 м ы Ъ Время прихода пика ЗВ /ШДЛ ч

МО ю о о Начальная (фоновая) концентрация ЗВ г/м3

61,9 90,5 1000 Концентрация ЗВ в сточных водах (притоке) г/м3

ы У 00 61,9 90,5 Максимальная концентрация ЗВ в контрольном створе 5,„аг, г/м3

н

СО ?!

СИ

с й

Я о

о

5

о

ТЗ

ш и>

1

2

X ¡а

I

с

X

я

ъ

Ь) Я

«

о Ь о и Р

о\ о ■а К сг

Я

о о о

•и *

о я я ж ч

СП о о

и р

X

н р

О! Й я

с р

§

■а

о

ж

ел ><

■а ю о X о

■а о га Я и

Я

я

а

а о

о Яе о

е

■о

о я

О о

СП р

л

И

Я

р 2 О!

я

¡а те

аварийного (14) поступления жидкости в водоносный пласт:

У

(14)

Их можно использовать при вычислении концентраций загрязнений на входе в исследуемый водоток подземных вод из сопряженного с руслом водоносного пласта и как самостоятельные модели миграции вещества в почвах и грунтах.

Дана также характеристика гидравлических параметров, входящих в уравнение (12), таких как скорость фильтрации, коэффициент пористости, коэффициент продольной дисперсии О жидкости в пористой среде.

В представленной работе решается важная научная проблема прогнозирования качества воды вблизи водозаборов малых равнинных рек в условиях аварийных сбросов. Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем.

1. Получены зависимости простые, но вполне пригодные для прогнозных расчетов, позволяющие определить примерный уровень загрязняющего вещества в воде для любого участка реки при аварийном выбросе сточных вод с целью оперативной оценки экологической обстановки и своевременного устранения последствий аварии. Все расчетные формулы явились результатом аналитического решения ряда краевых задач, основанных на уравнении турбулентной диффузии, которое наиболее точно отражает процессы миграции вещества в водотоке. Согласно принятым допущениям это уравнение адаптировано нами к гидравлическим условиям, характерным для малых равнинных рек. Поэтому полученные расчетные зависимости адекватно отражают реальные условия малых водотоков, удовлетворительная точность их подтверждается сравнением с данными натурных наблюдений и с ранее разработанными методиками.

2. Меняя граничные условия задачи Коши для уравнения турбулентной диффузии, получим формулы для различных видов аварийных сбросов, в том

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

числе, для /и-кратного «эшелонированного» сброса загрязняющих стоков, для случая пролонгированной аварии, не закончившейся к моменту начала расчетов.

3. Кардинальное решение задачи охраны вод от загрязнения невозможно без системного подхода. Поэтому необходимо разрабатывать более общие модели, составными частями которых являются подмодели, отражающие вклад каждого из различных источников загрязнения водной среды на общую картину состояния водотока. В диссертации рассмотрены подмодели миграции загрязняющего вещества в притоках и в подземных водоносных пластах, сопряженных с руслом реки. Они имеют как самостоятельное практическое значение, так и могут быть рассмотрены с точки зрения влияния на качество воды в главной реке.

4. В работе предложен подход к комплексной суммарной оценке основных факторов загрязнения реки в виде, в виде суперпозиции скалярных полей концентраций загрязняющих веществ, поступающих от разных источников загрязнений.

Следует отметить, что оценка комплексного влияния нескольких источников загрязнения природного водотока - очень сложная задача. Решение ее может послужить предметом дальнейшего исследования.

5. Разработана методика корреляционно-регрессионного анализа характеристик системы водоток - сброс загрязняющих веществ на примере коэффициента продольной турбулентной диффузии Д,, с использованием современных компьютерных приложений и содержательного графического материала, что позволяет расширить спектр анализируемых характеристик и формировать обоснованные выводы для принятия решений в инженерно-прикладной области охраны водных ресурсов.

Основное содержание работы отражено в следующих публикациях:

Публикации в ведущих рецензируемых научно-технических журналах и изданиях, определенных ВАК РФ

1. Макухина, О.В. Экспресс-метод прогнозирования загрязнения воды у речных водозаборов в условиях аварийных сбросов [Текст] / О.В. Макухина,

Т.А. Кондюрина, Л.Н. Фесенко // Водоснабжение и санитарная техника. - М.: 2010.-Т.3.-С.

2. Макухина, О.В. Математическое моделирование распространения аварийных загрязнений на примере малых рек Терского бассейна (Северный Кавказ) [Текст] / О.В. Макухина, Т.А. Кондюрина, А.И Фокин // Общественно-научный журнал «Проблемы региональной экологии» №1. - М.: 2009.

Отраслевые издания и материалы конференции

3. Макухина, О.В. Влияние урбанизации на речной сток [Текст] / О.В. Макухина, Т.А Кондюрина, A.A. Штанг // Проблемы геологии, планетологии, геоэкологии и рационального водопользования: материалы VIII Международной научно-практической конференции. - Новочеркасск: УПЦ «Набла» ЮРГТУ (НПИ), 2010. - С. 96-98.

4. Макухина, О.В. Охрана подземных вод от загрязнения и контроль за их состоянием [Текст] / О.В. Макухина, Т.А Кондюрина, A.A. Штанг // Проблемы геологии, планетологии, геоэкологии и рационального водопользования: материалы VIII Международной научно-практической конференции. -Новочеркасск: УПЦ «Набла» ЮРГТУ (НПИ), 2010. - С. 91-96.

5. Макухина, О.В. Математическое моделирование миграции загрязнений в водоносном пласте [Текст] / О.В. Макухина // Окружающая среда и здоровье: сборник статей V Всероссийской научно-практической конференции. - Пенза: РИО ПГСХА, 2008,- С.135-137.

6. Макухина, О.В. Применение операционного исчисления для решения некоторых задач гидравлики [Текст] / О.В. Макухина, Ю.С. Рогозина // Научная мысль Кавказа. - Ростов-н/Д: СКЗНЦ ВШ, 2005. - Т. 13. - С. 133-137.

7. Макухина, О.В. К вопросу прогнозирования качества подземных вод при загрязнении промстоками [Текст] / О.В. Макухина, Т.А. Кондюрина И Гидрология в начале XXI века: материалы международной научно-практической конференции / ЮРГТУ (НПИ). - Новочеркасск: ООО НПО «Темп», 2006.- 192 с.

8. Макухина, О.В. Определение концентрации загрязняющих веществ в реке при впадении в нее притока [Текст] / О.В. Макухина, Т.А. Кондюрина // Мелиорация антропогенных ландшафтов: межвуз. сб. науч. тр.: Экологические

аспекты рационального использования природных ресурсов / НГМА. -Новочеркасск: УПЦ «Набла» ЮРГТУ (НПИ), 2004. - Т. 24. - С. 26-28.

9. Макухина, О.В. Расчет концентраций загрязняющих веществ в реке с помощью системы дифференциальных уравнений [Текст] / О.В. Макухина, Ю.С. Рогозина // Мелиорация антропогенных ландшафтов: межвуз. сб. науч. тр.: Экологические аспекты рационального использования природных ресурсов/ НГМА. - Новочеркасск: УПЦ «Набла» ЮРГТУ (НПИ), 2004. - Т. 24.

10. Макухина, О.В. О расчете концентраций загрязнений малых водотоков при аварийных сбросах [Текст] /О.В. Макухина // Мелиорация антропогенных ландшафтов: межвуз. сб. науч. тр.: Рациональное природопользование в степной зоне России/ НГМА. - Новочеркасск: УПЦ «Набла» ЮРГТУ (НПИ),

11. Макухина, О.В. Аналитическое решение уравнения турбулентной диффузии при аварийных сбросах в малые водотоки [Текст] / О.В. Макухина, Т.А. Кондюрина, Ю.С. Рогозина // Ресурсосберегающие экологически безопасные технологии мелиорации рекультивации и охраны земель: материалы Междунар, науч. практ. конф./НГМА. - Новочеркасск: ООО НПО «Темп», 2003.-С. 147-150.

МАКУХИНА ОЛЬГА ВИКТОРОВНА

ПРОГНОЗ УРОВНЕЙ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ВОДЫ МАЛЫХ РЕК В УСЛОВИЯХ АВАРИЙНЫХ СБРОСОВ

05.23.04 Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Отпечатано в типографии ФГОУ ВПО НГМА Подписано к печати 08.09.2010 г. Формат 16x84 1/16 Бумага офсетная №1. Усл.печ.л. 1,0. Тираж 120 экз.

Новочеркасская государственная мелиоративная академия 346428, Ростовская обл., г. Новочеркасск, ул. Пушкинская, 111 E-mail НГМА rekngma@magnet.ru