Загрязнение поверхностных вод

Формирование загрязнения поверхностных вод представляется наиболее сложным процессом в геотехнической системе. Вклад в этот процесс вносят все сопредельные составляющие природной среды наряду с производством, которое, конечно, является основным источником загрязняющих веществ, и формируют прямой и косвенный пути загрязнения [].

Прямой путь обусловлен организованными выпускными потоками сточных вод, включающими нормативно-очищенные стоки, продувочные воды водооборотных систем, систем водоочистки и другие слабоминерализованные стоки. Их состав зависит от специфики производства, а объем определяется производительностью водоотводящих систем и уровнем эксплуатации. Эти потоки характеризуются фиксированными координатами источников сточных вод и относительно постоянными качественным и количественным составами. Изучены достаточно полно, их влияние учитывается во всех случаях, разработанные методики расчетов позволяют получать достаточно надежные результаты.

Косвенный путь связан с наличием неорганизованных потоков загрязняющих веществ, основными из которых являются: естественный поверхностный или поливомоечный стоки с загрязненной территории промышленной площадки; загрязненные подземные воды, выклинивающиеся на поверхность и попадающие в систему ливневой канализации; выпадение компонентов газопылевых выбросов на акваторию поверхностных водных объектов и т.д. Состав таких потоков зависит от специфики производства. Объем определяется гидрометеорологическими, гидрологическими, гидрогеологическими условиями, нормой полива территории, эффективностью работы газоочистного оборудования и культурой его эксплуатации, степенью организованности выбросов и др. Изучены не достаточно, результаты расчетов не найдены.

Из приведенного выше, следует, что прямой и косвенный пути загрязнения поверхностных вод имеют две составляющие: природные и техногенные стоки.

Природные стоки формируются в основном, в результате выпадения осадков. В этом случае величина поверхностного стока с территории промышленной площадки будет определяться формулой:

,

где: W – объем годового поверхностного стока, м³;

h – высота годового слоя осадков, мм;

y - коэффициент поверхностного стока;

F – площадь водосброса (в данном случае площадь промышленной площадки) поверхностного стока, га.

Объем и состав талого и дождевого стоков можно определить исходя из следующих соображений. Талый сток, формирующийся в основном в весеннее время за счет таяния снега и льда, выносит практически все количество загрязняющих веществ, накопленных в снежном и ледовом покровах за зиму, т.к. коэффициент стока в этом случае близок к 1 ( ). Объем стока

,

где: h_с – влагозапас в снежном и ледовом покровах на начало таяния, мм.

При этом средняя концентрация загрязняющих веществ в указанном стоке за весь период таяния снега составит:

,

здесь: а – коэффициент, зависящий от физических свойств загрязняющих веществ;

t - период аккумулирования загрязняющих веществ снежным и ледовым покровами, сут.

Процесс формирования объема и состава дождевого стока начинается еще в атмосфере. Концентрация веществ в атмосферных осадках всегда ниже, чем в речной или озерной воде. Поэтому, они играют роль окислителей по отношению ко всем другим видам природных вод. Кислотность дождевой воды в основном обусловлена сульфат-ионом SO₄^-2. При этом следует отметить, что твердые частицы атмосферными осадками выводятся более интенсивно, чем растворимые (доля последних в загрязненности поверхностного стока обычно не превышает 2%). Об этом свидетельствуют следующие данные: 1 литр дождя, падая с высоты 1км, промывает 526м³ воздуха, в результате концентрация частиц крупнее 1мкм снижается в 4-13 раз, частиц менее 1мкм – в 2 раза. Наибольшая интенсивность вымывания твердых частиц из атмосферных аэрозолей наблюдается при размерах дождевых капель 0,8 – 2,0 мм. Следствием этого является высокое содержание нерастворимых частиц (более 400г/м³) в дождевых осадках, выпадающих на территории промышленной площадки, что нельзя не учитывать при прогнозировании состава поверхностного стока. Дальнейшее формирование состава этого стока происходит на подстилающей поверхности, включая крыши зданий и сооружений, поверхности оборудования, материалоэнергопроводов, дорог и почвы.

Вынос загрязняющих веществ на этом этапе описывается уравнением кинетики 1-го порядка:

,

где: М_t - концентрация загрязняющих веществ в дождевом стоке на момент времени t;

М₀ – начальная концентрация загрязняющих веществ в дождевом стоке, сформированная за счет вымывания этих веществ из атмосферного воздуха;

К₁ – коэффициент, характеризующий интенсивность выноса загрязняющих веществ.

Степень загрязненности дождевого стока зависит не только от продолжительности дождя, но и от его интенсивности. Тогда вынос загрязняющих веществ может быть определен по эмпирической формуле:

,

где: - эмпирические коэффициенты, устанавливаемые для каждого вещества;

i – интенсивность дождя.

При этом критическое значение стока, обеспечивающего максимальную его загрязненность, составляет .

Техногенные факторы влияния на гидрологический и гидрохимический режимы водных объектов связаны с количеством потребляемой предприятием воды, определяющим водоемкость производств. В настоящее время водоемкость производств принимается как сумма водопотребления на отдельные операции технологических процессов. Такой подход представляется не достаточно объективным, т.к. рассматривает только внутреннюю составляющую водопотребления. Для анализа полного влияния промышленного предприятия на водные объекты при определении водоемкости производств следует учитывать и внешнюю составляющую, которая складывается из количества воды водоема или водотока, выступающего в роли приемника сточных вод, требуемого для разбавления стоков с территории предприятия до нормативных значений по каждому лимитирующему показателю вредности.

Количество производственных сточных вод, образующихся в процессе производства, зависит от объема потребляемой воды и степени комплексности её использования, т.е. от типа системы водообеспечения: прямоточная, повторно-последовательная или оборотная.

Требования к качеству потребляемой на нужды производства воды в большинстве случаев менее жесткие, чем для выпуска сточных вод в водные объекты. Поэтому оснащение промышленных предприятий локальными очистными сооружениями открывает путь к практически полному использованию производственных сточных вод в оборотных циклах различного назначения, т.е. к созданию бессточных производственных циклов. Таким образом, техногенная составляющая загрязнения поверхностных вод может быть сведена к минимуму, т.к. в результате объем сбрасываемых сточных вод будет составлять 5¸10% от объема циркулирующей в системе водообеспечения воды, а в некоторых случаях и практически полностью исключена.

Перевод предприятий на такие системы использования воды решает не только экологическую задачу, но и экономическую, в следствии того, что очистка стоков до норм повторного использования обходится значительно дешевле, чем их очистка до требований к выпуску в водный объект.

3. Геотехническая система "Город"

Любые населенные пункты неповторимы и оригинальны своей архитектурой и местоположением, особенностями формирования транспортно-экономических связей и сочетанием различных производств, составом населения и его образом жизни. Наиболее интересным для системного рассмотрения представляется город, т.к. в этом крупном поселении наиболее выпукло отражаются все структурные, экономические, природоохранные и информационные проблемы и особенности, но в то же время, он является и наиболее сложным объектом анализа.

В соответствии со СНиП 2.07.01-89 "Градостроительство. Планировка и застройка городских и сельских поселений", городом следует называть населенный пункт с численностью населения не менее 12 тысяч человек, при условии, что не менее 75% жителей занято не сельскохозяйственной деятельностью.

Высокие компактность, плотность освоения территории, коммуникационная насыщенность городского пространства, обусловленные экономией затрат и нуждами обороны, являются наиболее рано сформировавшимися и потому определяющими характеристиками города.

Понятие городской агломерации неоднозначно. Хотя природа формирования этого явления достаточно изучена и может быть отражена следующим тезисом: крайне высокая степень концентрации различных видов деятельности приводит к тому, что ресурсов города становится недостаточно, в результате возникают сложные системы срастающихся поселений, в которых сосредоточиваются сотни тысяч, а иногда и миллионы людей.

Исследования городских систем, как эволюционно возникших совокупностей взаимосвязанных природных и искусственных (техногенных) составляющих, объединенных в некоторое территориально-пространственное единство, следует осуществлять на основе анализа динамического равновесия информационных и материально-энергетических характеристик с учетом законов саморазвития и саморегуляции, построения и иерархического функционирования.

Город формируется на базе конкретных объектов приложения труда, имеющих многофункциональный характер, его облик в значительной степени определяется традиционными формами трудовой деятельности, которые можно представить как совокупность технологий производства, быта, обслуживания и отдыха []. Главенствующая роль среди них принадлежит технологиям процесса производства. Каждый вид указанных технологий предполагает использование материально-энергетических ресурсов с целью получения той или иной продукции или услуги населению, в результате чего наблюдается образование побочных продуктов, загрязняющих окружающую среду, т.е. отходов производства и быта.

Прежде чем приступить к анализу города как геотехнической системы, рассмотрим основные принципы формирования и динамики городских систем.