Калинин В.М. Экологическая гидрология

Подождите немного. Документ загружается.

преобладают слабоводопроницаемые поверхности (крыши,

асфальтовое и бетонное покрытия) и системы ливневой канализации.

Второй - внегородские территории, на значительной части которых

инфильтрационные свойства поверхности близки к естественным.

Таблица 5.1

Типы неточечных источников

Типы источников

Хозяйственное использование земель

Сельскохозяйственные

Растениеводство, животноводство,

пастбища, кормопроизводство

Лесохозяйственные

Лесозаготовки, дороги, лесоводство

Строительные, в т.ч.

дорожное строительство

Автострады, строительство мостов и

путепроводов, капитальное и жилищное

строительство

Городские территории

Ливневая канализация, поверхностный

сток

Добыча полезных

ископаемых

Карьерные и шахтные выработки, драги

и земснаряды, шахты и обогатительные

отвалы

Полигоны

Отстойники, поля орошения,

санитарные зоны, свалки твердых

отходов

Другие

Атмосферные выпадения, локальные

загрязнения, аварийные разливы

жидких загрязняющих веществ, утечки

из хранилищ

Второй тип представлен, главным образом,

сельскохозяйственными землями. Интенсификация

сельскохозяйственного производства выдвинула эти территории на

первый план загрязнения водных объектов. Так в США к концу 70 -х

годов 68 % речных водосборов оказались загрязненными

сельскохозяйственными стоками. При этом, в этих стоках доминирует

взвешенные и биогенные вещества (азот, фосфор). Пестициды,

полиароматические углеводороды ПАУ, нефтепродукыт имеют

меньший объем в этих стоках, но они более опасны с экологиче ской

точки зрения. Именно пестицидами загрязняются подземные воды.

Это очень опасно, т.к. именно подземными водами снабжаются города

для питьевых целей.

Основными загрязняющими веществами, поступающими

диффузным путем в реки и водоемы, являются: пестициды,

токсические органические соединения, нетоксические органические

соединения, тяжелые металлы, аммоний, хлор, биогенные вещества,

взвешенные вещества, минерализованные воды, патогенные

организмы, нефтепродукты.

5.3 Методы расчетов диффузного загрязнения

Различают эмпирические и детерминированные модели. Первые

базируются на экспериментальной информации. Как правило, такие

модели представляют собой достаточно простые математические

зависимости регрессионного типа. Они дают надежные результаты, но

применимы только для тех условий, в которых были получены

экспериментальные данные. Основой второго типа моделей является

априорная информация, то есть теоретические представления о

моделируемых процессах. Детерминированные модели могут быть

физико-математическими, концептуальными, имитационными и др.

Они представлены системами дифференциальных уравнений. Требуют

для своей реализации сложных компьютерных расчетов. Модели

данного типа интенсивно развиваются, за ними будущее. Однако в

настоящее время они пока применяются для ограниченного круга

экспериментальных водосборов. Поэтому будем рассматривать только

эмпирические модели.

Метод постоянных концентраций

Для определения объема поступления загрязняющих веществ от

неточечных источников с помощью этого метода важно расс читать

значение величины стока с водосбора. Затем принять какую -то

концентрацию загрязняющего вещества в нем и перемножить

концентрацию и объем стока.

Для определения концентрации используют данные измерений в

сходных условиях. Эти данные приводятся в специальной литературе.

Например, в 1983 г. в США была реализована общенациональная

программа по изучению урбанизированного стока. В рамках

программы исследованиями были охвачены 30 городов США в разных

климатических зонах. Работало около 100 постов. Измерялис ь осадки,

сток, концентрации веществ. Затем эти данные были опубликованы.

Этими данными можно пользоваться при применении метода

постоянных концентраций (Михайлов, 2000).

В России подобные данные надо выискивать по литературным

источникам. Точность метода низкая, так как концентрации сильно

меняются во времени и зависят от ряда факторов.

Модуль стока поллютантов.

На основании данных наблюдений устанавливают объем стока

поллютантов с единицей площади (кг/га год). Модуль меняется во

времени, но часто его принимают постоянной величиной. В

литературе приведены следующие обобщенные данные.

Таблица 5.2

Модуль стока поллютантов кг/год га

Тип

земле-

пользова-

ния

Фосфор

общий

Азот

общий

БПК

ХПК

Взвешен-

ные

вещества

Сельское

хозяйство

0,04 - 4,2

0,1 – 178

2 – 51

48 – 275

50 – 4200

Лес

00,2 - 1,0

1,4 – 33

1,7 -1,8

Город

1,1 - 5,6

6 – 10

3 – 507

260-1050

1700–7500

Пастбище

0,3 - 0,5

1,1 – 5,3

13 – 28

12 – 840

Пашня

0,7 – 8,2

Сады

0,8 – 20

0,1 – 260

4 - 130

27–1300

200 – 1500

Водосбор

0,05 – 2,9

0,9 - 37

11 - 67

91 - 400

10 - 236

Для учета влияния водности ищут зависимости модуля стока

поллютантов от расхода воды, она может быть прямой и обратной

μ=а

Q μ=а

/Q,

где а

, а

– некоторые числовые параметры. Эти зависимости

редко бывают значимыми (тесными), т.к. модуль сток поллютантов

зависит не только от водности, но и других факторов. Тесные связи

чаще получаются для больших рек.

Применение модуля постоянным, как видно из та блицы 5.2,

влечет так же большие погрешности. Это с одной стороны. С другой

не нужно данных о стоке. Это говорит о некорректности метода.

Регрессионные модели.

Применяются как для городских, так и сельскохозяйственных

территорий. На основании данных наблюдений на экспериментальных

водосборах разрабатываются регрессионные модели, общий вид

которых может быть представлен уравнением:



n

C 

(5.1)

В качестве переменных X

могут рассматриваться следующие

факторы: количество осадков, площадь водосбора, доля

водонепроницаемых покрытий, доля не урбанизированных территорий,

плотность заселения, дозы удобрений для сельскохозяйственных

площадей и т.д.

Каждый водосбор индивидуален, поэтому параметры a

, b

характерны для данного бассейна. Но их можно типизировать.

Например, на основании данных, которые были получены в США по

программе изучения урбанизированного стока, была разработана

модель, с типизацией по 3 районам: осадки до 20 дюймов, 20 – 40 и

более 40 дюймов в год для 22 ингредиентов.

В России для определения выноса биогенных веществ (азота,

фосфора) предложено уравнение (ВНИИ земледелия и защиты почв от

эрозии):

)( 

мг/л, (5.2)

где D

– содержание подвижных форм азота и фосфора в почве,

мг/кг; D

– доза удобрений (кг/га); a, b, К

-числовые параметры,

определяемые по таблицам, которые приведены в Методических

рекомендациях по оценке выноса биогенных веществ поверхностным

стоком (1985).

Согласно этим рекомендациям, концентрация биогенных веществ

в поверхностном стоке определяется по приведенной формуле.

Значения параметров a, b, k

определяются по таблицам 5.3 - 5.5

В общем случае речной водосбор может включать различные

угодья, с разным типом рассредоточенных источников. Это могут быть

сельскохозяйственные земли и естественные угодья,

урбанизированные территории и прочее. При этом любой водосбор

может быть представлен рядом стокоформирующих комплексов (СФК),

каждый из которых являются его частью, и характеризуется

совокупностью

Таблица 5.3.

Значения параметра а, кг/л

Вещество

Азот

0.144

Фосфор

0.002

Калий

0.018

Таблица 5.4.

Значение параметра b,

кгл

гамг



Сроки и способы внесения

удобрений

Азот

Фосфор

Калий

Осенью под вспашку

0,010

0,0013

0,003

Осенью поверхностно

0,085

0,0310

0,015

Осенью поверхностно по мерзлой

почве

0,216

0,0510

0,134

Весной по таломерзлой почве

0,866

0,5940

0,784

Таблица 5.5

Значение коэффициента k

Агротехнический фон

Азот

Фос

фор

Кали

Вспашка (зябь)

1,0

Комбинированная вспашка

1,0

1,1

Озимые зерновые

0,7

1,1

1,7

Многолетние травы

0,7

1,6

1,8

Стерня зерновых

0,6

3,8

3,4

Плоскорезная обработка

1,0

1,6

1,5

природных компонентов, имеющих относительную однородность и

определяющих параметры гидрологического цикла на этой территории

(Калинин, Ларин, Романова, 1998). Но СФК определяют не только

гидрологический режим, но и характер гидрохимических процессов, в

частности, поступление и миграцию биогенных элем ентов (нитритного,

нитратного и аммонийного азота, фосфатов и калия). Поэтому

определения выноса биогенных элементов в реке целесообразно

связывать с определенными природнотехногенными

территориальными комплексами. С этой целью необходимо

определять с каждого СФК значение стока. Для того, чтобы выполнить

расчеты стока с каждого СФК водосбора, необходимо, прежде всего,

построить серию специальных карт. Сюда входят карты

землепользования, уклонов и почв. Сопряженный анализ этих карт

позволяет построить карту стокоформирующих комплексов.

Первым и необходимым этапом картографических работ является

выделение площади водосбора. Как показывает опыт, для

большинства малых рек наиболее оптимальным для этой цели

является масштаб топографических карт М 1:100 000. При п лощади

водосбора менее 200 км

целесообразно применение более крупных

масштабов.

Построение карты уклонов водосбора можно выполнить на

основании той информации, которая имеется на самой

топографической карте. Карта уклонов позволяет достаточно быстро и

оперативно определять средний уклон СФК. Для построения карты

уклонов необходимо сгустить горизонтали с таким расчетом, чтобы

сечение рельефа было не 20 м (как принято на топографической карте

М 1:100 000), а 2,5-5,0 м. Затем горизонтали делятся на отрезки,

примерно равные заложению, и через концы этих отрезков проводятся

линии, перпендикулярные к нижней горизонтали. На каждой такой

линии посредине между двумя соседними горизонталями отмечаются

точки и около них подписываются уклоны, которые определяются по

формуле:

1000





‰ (5.3)

где i - уклон,

;

h

- сечение рельефа, м; L- расстояние между

горизонталями, м.

Получается поле точек со значениями уклонов, по которому

проводятся изолинии с интервалом 1 -10‰ в зависимости от

расчленения водосбора.

При построении почвенной карты водосбора удобно использовать

почвенные карты административных районов, которые обычно

выполнены в масштабе 1:100 000. Необходимо в пределах водосбора

перекопировать все почвенные контуры, выполнив при этом

необходимую генерализацию. Последняя заключается в объединении

в отдельные общие контуры всех пойменных, луговых, подзолистых,

серых лесных, черноземных, торфяных и засоленных почв. К луговым

относятся также аллювиальные и лутово -черноземные почвы. В

каждом таком генетическом типе выделяются контуры, однородные по

механическому составу.

Карта землепользования в пределах водосбора может быть

составлена на основании сельскохозяйственных карт

административных районов масштаба 1:100 000. При этом карта

копируется практически без изменений. Только сенокосы и пастбища

объединяются в один контур - луг.

На основании сопряженного анализа этих трех карт создается

карта контуров с однородными факторами формирования стока (карта

СФК). Здесь за основу принимается карта землепользования. Каждый

ландшафтно-технологический или природный комплекс

подразделяется на контуры меньшей площади в зависимости от

генетического типа и механического состава почв. Обычно на

территории водосбора выделяется от 10 до 20 СФК. Для каждого из

этих контуров путем наложения карт определяется средний уклон.

Карта СФК является основой для составления таблицы

количественных характеристик контуров с однородными факторами

формирования стока.

Для каждого выделенного таким образом СФК определяются

количественные характеристики метеопараметров (коэффициент

увлажнения, глубина промерзания, осадки) и производится расчет

стока на основе компьютерной модели. Основными расчетными

формулами модели являются (Калинин, Ларин, Романова, 1998):

 

МГWb

МГПВ



















(5.4)





















































7,31

кр

аax



(5.5)

где y

, y

– сток с суходольных и заболоченных СФК, мм; x -

снегозапасы на конец зимы, мм; ПВ, МГ – полная влагоемкость и

максимальная гигроскопичность активного слоя почвы, мм; W –

влагозапасы активного слоя почвы перед снеготаянием, мм; h –

средний уровень грунтовых вод за период весеннего стока; h

кр

–

критический уровень грунтовых вод, когда прекращается их заметное

влияние на влагозапасы активного слоя почвы, м; а, m, b,



числовые параметры, определяемые по специальным методикам и

формулам.

Рассчитав с помощью компьютерной модели величину стока с

каждого СФК, определяют затем интегральный сток со всего

водосбора по формуле:

Рис 5.1 Нефтепокрытые (замазученные) территории на

Самотлорском месторождении: а) водоем с корками битумизированной

нефти; б) торфяное болото (В.Н. Седых, 2005)

а)

б)

fyfyf





.....

2211

(5.6)

Сравнивают полученное значение интегрального стока с

фактическим (измеренным в замыкающем створе) или снятым с карты

стоком. Если значения совпали, то расчет прекращают. Иначе

выполняют новый расчет с другими величинами коэффициентов

фильтрации почв стокоформирующих комплексов. Делают несколько

циклов расчета до тех пор, пока рассчитанные и фактические

значения не совпадут. Таким образом, фактически происходит

распределение (дифференциация) стока по водосбору реки.

Затем, на основании метода постоянных концентраций и

регрессионного метода определяют объемы выноса азота и фосфора

с каждого СФК, т.е. умножают объем стока на концентрацию.

В нефтегазодобывающих районах актуальным является расчет

диффузного загрязнения водных объектов за счет смыва нефти с

загрязненных территорий. Для условий Среднего Приобья может быть

использована следующая зависимость:









































aMa

gзm

1exp1



, (5.7)

где μ – модуль смыва нефти , мг/с км

; a

– параметр, равный

концентрации нефтепродуктов в замыкающем створе при М=1 и

максимальной степени нефтяного загрязнения водосбора (СФК); М

–

модуль стока воды с нефтезагрязненной части водосбора (СФК); f

–

площадь нефтезагрязненной части водосбора (СФК), км

; F – площадь

водосбора (СФК), км

; М – обобщенный по территории (водосбору)

модуль стока воды, л/с км

; а

– параметр, равный концентрации

нефтяных углеводородов в замыкающем створе при отсутствии

нефтезагрязненных земель на водосборе (СФК).

Значения модулей стока воды М и М

определяются по

рассмотренной выше методике. При этом параметр а

принимается

равным а

=0,42 для условий средней тайги и а

=0.25 для лесотундры.

Соответственно принимается параметр а

равное 40 и 60.

5.4 Водоохранные зоны и прибрежные защитные полосы

Для поддержания водных объектов в состоянии, соответствующем

экологическим требованиям, для предотвращения загрязнения,

засорения и истощения поверхностных вод, а так же сохранения

среды обитания объектов животного и растительного мира

устанавливаются водоохранные зоны (ВОЗ) и прибрежные защитные

полосы (ПЗП).

Выделение и закрепление водоохранных зон и прибрежных

защитных полос способно существенно снизить диффузное

загрязнение водных объектов при минимальных затратах.

Создание ВОЗ и ПЗП предусмотрено 65 статьей Водного кодекса

РФ (введен в действие с 1.01.2007).

Водоохранными зонами являются территории, которые примыкают

к береговой линии морей, рек, ручьев, каналов, озер, водохранилищ и

на которых устанавливается специальный режим осуществления

хозяйственной и иной деятельности в целях предотвращения

загрязнения, засорения, заиления указанны х водных объектов и

истощения их вод, а также сохранения среды обитания водных

биологических ресурсов и других объектов животного и растительного

мира.

В границах водоохранных зон устанавливаются прибрежные

защитные полосы, на территориях которых вводятся дополнительные

ограничения хозяйственной и иной деятельности.

Ширина водоохранной зоны морей, рек, ручьев, каналов, озер,

водохранилищ и ширина их прибрежной защитной полосы за

пределами территорий городов и других поселений устанавливаются

от соответствующей береговой линии. При наличии ливневой

канализации и набережных границы прибрежных защитных полос этих

водных объектов совпадают с парапетами набережных, ширина

водоохранной зоны на таких территориях устанавливается от

парапета набережной.

Ширина водоохранной зоны рек или ручьев устанавливается от их

истока, для рек или ручьев протяженностью:

 до десяти километров — в размере пятидесяти метров;

 от десяти до пятидесяти километров — в размере ста метров;

 от пятидесяти километров и более — в размере двухсот

метров.

Для реки, ручья протяженностью менее десяти километров от

истока до устья водоохранная зона совпадает с прибрежной защитной

полосой. Радиус водоохранной зоны для истоков реки, ручья

устанавливается в размере пятидесяти метров.

Ширина водоохранной зоны озера, водохранилища, за

исключением озера, расположенного внутри болота, или озера,

водохранилища с акваторией менее 0,5 квадратного километра,

устанавливается в размере пятидесяти метров.

Ширина водоохранной зоны моря составляет пятьсот метров.