Современный Донбасс - одна из крупнейших в мире промышленно-жилищный агломераций. В Донецкой области, на сравнительно небольшой территории, сосредоточено около полутора тысяч промышленных предприятий, несколько соток населенных пунктов. Ни в одном регионе хозяйственная деятельность человека не оказывает такого многостороннего воздействия на природную среду, как в Донбассе. В области образовался довольно сложный узел природоохранных проблем. Важнейшей и острейшей из них являются обеспечение водой мощной промышленности, сельского хозяйства и густой сети городов.
Особенно актуальна стала проблема состояния реки Кальмиус в центре города Донецка. Есть много химических и физических показателей качества воды. В данной работе изучены некоторые из них, сульфаты, аммиак и ионы аммония, карбонаты и гидрокарбонаты, перманганатная окисляемость.
Изучались пробы, отобраные на проспектах Ильича и Дзержинского в период с августа по октябрь 2001 года. Результаты представлены в таблице.
Таблица.Сводная.
| Показатели | Август 2001 | Сентябрь 2001 | Октябрь 2001 | ПДК | |||
| пр-т. Ильича | пр-т Дзержинского | пр-т. Ильича | пр-т Дзержинского | пр-т. Ильича | пр-т Дзержинского | ||
| SO42-, мг/л | 595 | 615 | 528 | 576 | 532 | 584 | 500 |
| CO32-, мг/л | 40 | 46 | 0 | 18 | 0 | 19 | 0 |
| HCO3-, мг/л | 420 | 430 | 695,6 | 695,6 | 696 | 696 | 700 |
| NH3, мг/л | 0 | 0 | 0,59 | 0,59 | 0,59 | 0,59 | 0 |
| перманганатная окисляемость, мг*O2/л | 11,2 | 11,9 | 11,48 | 11,64 | 11,65 | 11,74 | 6 |
После проведенных исследований состояния реки Кальмиус в местах наибольшего водопользования (на пересечениях с проспектами Ильича и Дзержинского) можно отметить, что за месяцы, в течение которых вода контролировалась (август,сентябрь,октябрь), по указанным показателям назревают следующие выводы:
1.На указанном участке дополнительные загрязнения в реку Кальмиус в течение августа-октября не поступали (не было сбросов промышленных стоков,не попадали поверхностные сточные воды).
2.Превышение допустимых концентраций наблюдается незначительно по сульфатам (ПДК=500мг/л).Превышена величина перманганатной окисляемости воды (ПДК=6мг/л).Качественно обнаружены следы аммиака.
3.По карбонатам наблюдается резкое увеличение их количества в августе (более чем в 2 раза в отличие от августа-сентября),а гидрокарбонатов резкое увеличение (в 1,6 раза).
4.Между проспектами Ильича и Дзержинского наблюдается некоторое повышение карбонатов в период август-октябрь.
Эта работа имеет большое значение для оценки экологической ситуации в центре Донецка.
На содержаниеЦелью исследования является сравнение уровня загрязнения реки Кальмиус в районах расположения городов Донецка и Мариуполя. Река Кальмиус протекает через Ясиноватский район (верховье), города Донецк, Макеевку (река Грузская), Мариуполь и такие районы, как Старобешевский (Старобешевское водохранилище - Старобешевская ТЭС), Тельмановский, Волновахский, Новоазовский и Володарский, и впадает в Азовское море.
Длина реки 209км. Площадь водосбора составляет 5070км2, поэтому она относится к рекам категории "средние". Гидрографическая сеть данной реки относится к рекам Приазовья. Её бассейн расположен в 3 геоморфологических районах: верхняя часть - в границах южного склона Донецкого кряжа, средняя - в Приазовской кристаллической гряде и южная на Приазовской низине.
Рельеф бассейна равнинный, умеренно пересеченный ярами и балками. Скорость течения от 0,4 до 1,5м/с. Дно каменистое и глинистое прикрытое слоем ила. Глубина реки 2,5 - 10м. Русло разветвлённое, извилистое, шириной до 20м.
Равнинный режим реки характеризуется ясно выраженным весенним наводнением и низким уровнем воды в летне-осенний период, который нарушается кратковременными невысокими дождевыми паводками. Высота пика наводнения по длине реки изменяется от 1,5 до 2,5м при обычном, и от 2,5 до 3,5м при высоком.
Основным источником питания реки являются талые воды, дождевые и грунтовые имеют второстепенное значение. Наиболее водоносными являются пески и известняки. Лёд становится в первой декаде декабря одновременно по всей длине реки. Наибольшая толщина льда 0,7м, средняя 0,2 - 0,3м. Во второй половине марта река полностью очищается ото льда.
Река Кальмиус в своём составе имеет притоки, их длина составляет10км, в границах Донецкой области - 445км. В её бассейне насчитывается 18 водохранилищ общим объёмом 185 млн. м3 и 112 прудов общим объёмом 19,4 млн. м3.
Главными источниками загрязнения рек являются шахты, промышленные предприятия (особенно металлургического профиля), стоки с территорий городов и сельскохозяйственных объектов.
Наиболее сконцентрированные промышленные районы находятся в верховье реки Кальмиус - часть Ясиноватского района и левого притока - река Грузская. Тут основным загрязнителями являются Донецкий металлургический завод, которым сброшено за 2002г. 2214 тыс. м3 загрязнённых сточных вод, и шахта им. Горького, которая сбросила 11827 тыс. м3 сточных вод в т.ч.: недостаточно очищенных - 8765 тыс. м3 и неочищенных - 3504 тыс. м3.
Основными источниками загрязнения являются: Донецкий металлургический завод, шахты им. Засядько и им. Горького, поверхностные сточные воды города Донецка. Основными загрязняющими веществами являются: хлориды (Cl-), сульфаты (SO42-), азот аммонийный (NH4+), нитраты (NO3-), нитриты (NO2-), а также тяжелые металлы (Pb, Ni, Zn, Cu, Mn, Cd, Co).
Основным загрязнителем в районе города Мариуполя является завод "Азовсталь"
Наше исследование было построено таким образом, чтобы получить данные, характеризующие загрязнение реки в районе центра города Донецка и в районе города Мариуполя возле выпуска сточных вод завода "Азовсталь", где точки отбора проб выбраны до и после сбросов сточных вод.
В таблице представлены результаты исследований качества воды в реке Кальмиус.
Таблица. Сравнительная характеристика качества воды р. Кальмиус в районах г.Донецка и г.Мариуполя.
| Показатели | ПДК | р. Кальмиус в районе г.Донецка 2003 | р. Кальмиус в районе г.Мариуполя 2003 | ||
| пр-т. Ильича | пр-т Дзержинского | до сброса | после сброса | ||
| плотность, г/см3 | - | - | - | 1,0010 | 1,0025 |
| цветность, град. | 10 | 15 | 15 | 15 | 15 |
| рН | 6,5-8,5 | 7,5 | 7,9 | 8,2 | 9,9 |
| CL-, мг/л | 350 | 522 | 511 | 492 | 2441 |
| SO42-, мг/л | 500 | 550 | 595 | 888 | 816 |
| Fe2+, мг/л | - | - | - | 0,08 | 0,10 |
| Fe3+, мг/л | - | - | - | 0,11 | 0,05 |
| Feобщ, мг/л | 0,5 | 0,12 | 0,28 | 0,19 | 0,15 |
| перманганатная окисляемость, мг*O2/л | 10 | 11,5 | 11,8 | 7,2 | 14 |
| Ca2+, мг-экв/л | - | - | - | 10,2 | 8,2 |
| Mg2+, мг-экв/л | - | - | - | 8,0 | 17,9 |
| Общ. жёсткость, мг-экв/л | 10 | 9,5 | 9,7 | 18,2 | 26,1 |
| CO32-, мг/л | 20 | 0 | 18 | 0 | 24 |
| HCO3-, мг/л | 700 | 420 | 430 | 342 | 238 |
| Жесткость, ммоль: Общая =Ca2++Mg2+ Устранимая =HCO3- Постоянная=ОЖ-УЖ |
7 |
9,5 6,9 2,6 |
9,7 7,1 2,6 |
18,1 5,6 12,5 |
26,0 3,9 22,1 |
Из результатов, характеризующих качество речной воды видно, что цветность, содержание железа (Fe2+, Fe3+, Feобщ), HCO3-, Ca2+ на протяжении течения реки Кальмиус практически не изменяются.
рН, содержание ионов CL-, SO42-, Mg2+ и, следовательно, общая и постоянная жесткости, а также перманганатная окисляемость резко увеличиваются после сбросов завода "Азовсталь".
Также видно, что почти все показатели (кроме Feобщ, рН, CO32-, HCO3- в районе города Донецка и HCO3-, Feобщ в районе города Мариуполя) превышают предельно допустимую концентрацию (ПДК).
Следует обратить внимание на то, что температура воды на выпуске 40 - 500С, что изменяет температурный режим реки.
Таким образом, исследования показали, что качество воды реки Кальмиус существенно зависит от состояния стоков, поступающих в реку.
Вода в реке Кальмиус в районах расположения двух крупных промышленных городов характеризуется различными уровнями загрязнения по отдельным показателям.
На содержаниеЦелью исследования является изучение общего уровня загрязнения реки Кальмиус тяжелыми металлами и его влияния на гидробионты, а также сбросов основных загрязняющих предприятий.
Река Кальмиус протекает через Ясиноватский район (верховье), города Донецк, Макеевку, Мариуполь и такие районы, как Старобешевский, Тельмановский, Волновахский, Новоазовский и Володарский, и впадает в Азовское море.
Длина реки 209км. Площадь водосбора составляет 5070км2, поэтому она относится к рекам категории "средние". Река Кальмиус в своём составе имеет притоки (Грузская, Мокрая Волноваха, Кальчик), их длина составляет 10км, в границах Донецкой области - 445км. В её бассейне насчитывается 18 водохранилищ общим объёмом 185 млн. м3 и 112 прудов общим объёмом 19,4 млн. м3.
Главными источниками загрязнения рек являются шахты, промышленные предприятия (особенно металлургического профиля), стоки с территорий городов и сельскохозяйственных объектов. В районе расположения города Донецка наиболее крупными загрязнителями являются Донецкий металлургический завод и шахты, а в районе города Мариуполя - завод "Азовсталь".
Также существенный вклад вносят: "Донецкий химический завод", "Рутченковский завод "Гормаш", Донецкий казенный з-д химических изделий, "Техноскрап", "Донтехрезина", "Донецкий экспериментальный ремонтно-механический з-д", "Донецкий з-д высоковольтных опор", "Топаз", "Донецкий энергозавод", "Норд".
В таблице 1 приведен перечень предприятий, вносящих наибольший вклад в загрязнение вод реки Кальмиус.
Таблица 1. Перечень предприятий, сбрасывающих сточные воды в реку Кальмиус
| № | Наименование предприятия | Характеристика сточных вод | Объём сброса, тыс.м3/г | Вещества, по которым есть превышение норм |
| 1. | АОЗТ "Донецкий химический з-д" | Ливневые воды - балка Богодуховская | 28,2 | Нефтепродукты - в 2р. |
| 2. | ДП "Техноскрап ООО "Скрап" | Ливневые воды - балка Дурная | 20,6 | Железо (общ.) - 1,8р. |
| 3. | АООТ "Донтехрезина" | Ливневые воды - балка Дурная | 11,62 | Взвешенные в-ва -8р. БПК5 - 12,5р. ХПК - 10р. Нефтепродукты - 17р. |
| 4. | ОАО "Донецкий експерименталь-ный ремонтно-механический з-д" | Ливневые воды - балка Пограничная | 46,7 | Нефтепродукты - 4р. Взвешенные в-ва - 4р |
| 5. | ОАО "Топаз" | Ливневые воды - балка Без названия | 58,64 | Нефтепродукты - 3,7р. БПК5 - 1,2р. ХПК - 1,2р. Хлориды - 1,2р. |
| 6. | ОАО "Донецкий энергозавод" | Ливнево-дренажные сточные воды в бассейн р.Кальмиус | 42,3 | Взвешенные в-ва - 2,4р. Железо - 2р. ХПК - 3,3р. |
| 7. | Завод "Азовсталь" | Промливневые воды - р.Кальмиус | - | Хлориды - 7р. Общая жесткость- 2,6р. |
| 8. | АО "Норд" | Промливневые воды в бассейн р.Кальмиус | 158 | Взвешенные в-ва - 1,2р. |
Основными загрязняющими веществами являются: нефтепродукты, взвешенные вещества, хлориды, сульфаты, а также тяжелые металлы (Pb, Fe, Ni, Zn, Cu, Al, Cr(III), Cr(VI), Mn, Cd, Co).
В таблице 2 охарактеризовано поступление тяжелых металлов различными предприятиями по всему течению реки Кальмиус за 2000, 2001 и 2003 годы. Информация предоставлена Управлением экологии в Донецкой области.
Таблица 2. Количественная характеристика сбросов тяжелых металлов в реку Кальмиус
| № | Наименование, тонн/год | 2000 год | 2001 год | 2003 год |
| 1. | Железо | 87,11 | 129,0 | 83,21 |
| 2. | Медь | 3,346 | 4,779 | 5,229 |
| 3. | Цинк | 6,180 | 10,09 | 8,479 |
| 4. | Никель | 1,723 | 1,132 | 2,519 |
| 5. | Хром(III) | 1,677 | 1,885 | 2,521 |
| 6. | Хром(VI) | 0,173 | 0,001 | 1,286 |
| 7. | Алюминий | 2,147 | 2,257 | 2,269 |
| 8. | Свинец | 0,194 | - | 1,772 |
| 9. | Кадмий | 0,004 | - | 0,094 |
| 10. | Кобальт | 0,173 | - | 1,576 |
| 11. | Марганец | 9,860 | 20,05 | 7,732 |
| 12. | Объём стоков, млн.м3/год | 511,6 | 531,6 | 362,3 |
Проанализировав таблицу 2, можно сделать выводы, что за последние годы наблюдается постепенное увеличение поступления таких тяжелых металлов: медь, никель, хром(III), хром(VI), алюминий, свинец, кадмий, кобальт. Это явление связано с нарастанием объемов производства в последние годы, что создало негативную тенденцию увеличения объёмов сбросов.
Из литературных источников известно, что биологическое действие тяжелых металлов на гидробионты проявляется в общетоксическом, мутагенном и канцерогенном воздействиях. Например, повышение концентрации свинца в воде и увеличение продолжительности его воздействия на личинок бесхвостых амфибий приводят к увеличению частоты возникновения клеток с микроядрами. Вероятно, при хроническом воздействии мутагенный эффект могут иметь и более низкие концентрации. Кадмий при длительной экспозиции способен вызвать у рыб серьезные нарушения уровня активности пищеварительных ферментов: мальтазы, щелочной фосфатазы и амилазы. По предварительным данным загрязнение тяжелыми металлами приводит к повышению активности ферментных систем различных гидробионтов, что является свидетельством напряженного состояния систем детоксикации.
Таким образом, можно сделать вывод, что экологическое состояние реки Кальмиус в целом неблагоприятное из-за растущих объёмов поступающих в реку Кальмиус загрязняющих веществ.
На содержаниеЕщё в первые годы XX столетия Вернадский начал говорить о том, что влияние Человека на окружающую природу растет так быстро, что не за горами то время, когда он превратится в основную геологообразующую силу. И, как следствие, он обязательно должен будет принять на себя ответственность за будущее развитие природы. Развитие окружающей среды и развитие общества станут неразрывными. Биосфера однажды перейдет в сферу ума - ноосферу. Произойдет большое объединение, вследствие которого развитие планеты станет направленным - движимым силой ума.
Но пока это ещё не произошло, и человечество продолжает неистово эксплуатировать природные ресурсы. В связи с этим накопилось огромное количество проблем по охране окружающей среды. Одной из актуальнейших является проблема поверхностного стока, особенно критической на Украине.
Поверхностный сток с территории городов и промышленных предприятий является интенсивным фактором антропогенной нагрузки на природные водные объекты. Обусловлено это тем, что при существующих системах очистки хозяйственно-бытовых и производственных сточных вод загрязненность водных объектов продолжает нарастать в основном за счет сброса в них поверхностного стока, так как основное количество поверхностного стока поступает в водоемы без очистки (в том числе 100 % с территорий жилых массивов), а имеющиеся на отдельных промпредприятиях сооружения по очистке ливневых вод практически не эксплуатируются в связи с их физической и моральной изношенностью. Наиболее неблагоприятное влияние на санитарное состояние водоемов оказывают, содержащиеся в поверхностном стоке взвешенные вещества и нефтепродукты.
На интенсивность загрязненности поверхностного стока с территории населенных пунктов влияют такие факторы, как благоустройство территории, плотность населения, интенсивность движения транспорта и пешеходов. Эти показатели постоянно изменяются в процессе урбанизации. По данным многолетних исследований (ВНИИВО в г.Харькове, АКХ им. Панфилова в Ленинграде, ЦНИИКИВР в Минске) качество загрязнений ливневого стока городов колеблется в следующих пределах:
- взвешенные вещества - 470…2460 мг/л;
- нефтепродукты - 2…63 мг/л.
Концентрации взвешенных веществ в дождевых, талых и моечных водах соизмерима или в несколько раз выше, чем в хоз-бытовых водах, поступающих на городские очистные сооружения, и многократно превышает значения этих показателей в сбрасываемых в водоемы очищенных хоз-бытовых водах. Особое значение имеет то обстоятельство, что как дождевой сток, так и талый отличаются неравномерностью состава загрязнений даже для однотипных производств.
Загрязненность снежного покрова в среднем соответствует загрязненности талых вод, в то время как загрязненность дождевых вод по всем составляющим выше талых. При залповых сбросах большого количества грубодисперсных примесей, что обычно наблюдается при выпадении дождей, происходит частичное их осаждение в створе ливневыпуска и ниже по течению, что приводит к заиливанию водоемов. Санитарными нормами не допускается сброс со сточными водами частиц с гидравлической крупностью более 0,4мм/с для проточных водоемов и 0,2мм/с - для непроточных. В поверхностном стоке содержание твердых примесей с такой гидравлической крупностью доходит до 30-40 %, причем четвертую часть осадка из поверхностного стока составляют органические вещества. Поэтому в толще наносов активно развиваются анаэробные процессы деструкции органических веществ: гниения, брожения, неполного окисления, сульфатредукции, метаногенеза, денитрификации. Указанные процессы сопровождаются выделением токсичных и дурно пахнущих газов (метан, сероводород, оксид углерода, меркаптан и др.). Эти явления подавляют аэробные микробиологические процессы в донной части водоприемников, что особенно ярко проявляется в летний период, когда повышенная температура и дефицит кислорода чрезвычайно интенсифицируют анаэробные процессы ("цветение" воды, разложение органических веществ, интенсивный рост и отмирание фитопланктона). В результате в водоемах уменьшается содержание растворенного кислорода, ухудшается запах, прозрачность, окраска, увеличивается содержание аммиака, марганца и микробиологических загрязнений. В связи с вышеизложенным ингибируется способность водоемов к самоочищению.
Основная составляющая часть нефтепродуктов - насыщенные углеводороды чрезвычайно устойчивы к микробиологической деструкции, обладают высоким токсическим эффектом, снижают доступность кислорода для гидробионтов всех уровней организации. Кроме того, химическое окисление нефтепродуктов активно снижает концентрацию кислорода в водной среде. Указанные факторы отрицательного воздействия на природные водоемы приобретают особое значение в связи с тенденцией роста концентрации нефтепродуктов в ливневом стоке, обусловленной интенсивной техногенной деятельностью и автомобилизацией.
Следует отметить, что такие показатели качества вод, как БПК и окисляемость для поверхностного стока с территории предприятий различных отраслей существенно отличаются: для машиностроительных и металлургических заводов БПК5 находится на уровне 20-30 мг/л, для коксохимических - 50-80 мг/л, а для пищевых и сельскохозяйственных производств - до 1000 мг/л. После сравнительно непродолжительного отстаивания (в течение 2-х часов) этот показатель, как правило, резко снижается. Эти значения в незначительной мере превышают предельные показатели, приведенные в справочных материалах.
Решение проблемы защиты водоемов от загрязнения поверхностным стоком осложняется значительными отличиями загрязняющих веществ и колебаниями показателей загрязненности для различных предприятий и даже для различных производств внутри одного предприятия. Кроме того, многие предприятия, не имеют системы организованного сбора поверхностного стока со своей территории. Положение осложняется также тем, что в ряде случаев площадь его водосбора для нескольких предприятий является общей. Это приводит к тому, что при организации объединенных (групповых) блоков очистных сооружений для поверхностного стока этих заводов возникают технологические и организационные затруднения.
В целом состав загрязнений поверхностного стока и их концентрации существенно изменились за последние 10 лет по ряду причин:
- снизилась мощность промышленных производств, в том числе и локальных очистных сооружений, среднегодовые объемы ливневого стока не изменились, а объем очищаемого стока снизился;
- повсеместно осуществляется несанкционированный сброс в ливневую канализацию неочищенных сточных вод предприятий;
- многократно увеличилась плотность автомобильного потока, а, следовательно, и концентрация загрязнений в смывах с автомобильных дорог;
- вследствие несовершенства системы сбора жидких и твердых бытовых и промышленных отходов часть из них попадает в ливневую канализацию.
Таким образом, в последние годы резко возросла загрязненность поверхностного стока.
На содержаниеШумовое загрязнение окружающей среды - форма физического загрязнения, проявляющегося в увеличении уровня шума сверх природного и вызывающего при кратковременной продолжительности беспокойство, а при длительной - повреждение воспринимающих его органов или гибель организмов. Это самое нетерпимое из всех их видов. Наряду с проблемами загрязнения воздуха, почвы и воды человечество столкнулась с проблемой борьбы с шумом.
К нормальному фону окружающей среды прибавляются все новые децибелы (по 1 дБ ежегодно), в результате чего уровень шума зачастую превышает 100 дБ.
Децибел (дБ) - это логарифмическая единица измерения шума. 1 дБ - самый низкий уровень шума, который едва способен улавливать человек.
Звук - один из видов энергии, при определённых значениях разрушающей твердые тела. Международной организацией по борьбе с шумом была создана шкала шума, приведенная в таблице.
Таблица. Шкала уровня шума.
| Уровень воздействия шума | Интенсивность шума, дБ | Характерные шумопроизводители |
| Смертельный уровень | 180 | Взрыв атомной бомбы |
| Болевой порог | 150 140 130 120 |
Реактивный самолет Пневматическая клепка Сирена воздушной тревоги, сверхшумовая электромузыка Мощный раскат грома |
| Опасный уровень | 110 100 90 |
Громкая музыка, мощная косилка Мотоцикл, электропоезд метро Спортивный автомобиль, максимальная норма громкости звука в производственном помещении |
| Допустимый уровень | 80 70 60 50 40 30 20 10 |
Пылесос, шум на шоссе с очень интенсивным движением, шум станка Уличный шум Нормальный разговор, работа стиральной машины Тихая улица Норма громкости звука днем Звук часов, норма громкости звука ночью Домашний комфорт Шелест листьев на ветру, шум нормального дыхания |
| Порог слуха | 0 | Полная тишина |
Шум в больших городах негативно влияет на здоровье людей, а также растений и животных. Кроме того, он может разрушать растительные клетки.
Таким образом, с шумом необходимо бороться, а не пытаться привыкнуть. Этой борьбе посвящена акустическая экология, которая предлагает некоторые пути решения этой проблемы: законодательные, строительно-планировочные, организационные, технико-технологические, конструкторские и профилактические меры.
Они крайне необходимы, т.к. установить тишину, значит в конечном счёте продлить жизнь человека, защитить природу от шумового загрязнения и акустической деградации.
На содержаниеРассмотрена проблема создания модели региональной геоинформационной системы государственного мониторинга поверхностных вод (СГМПВ), учитывающей особенности практической реализации экологического мониторинга в Украине. Построена типовая модель в нотации унифицированного языка моделирования (UML) для множеств моделей общегосударственных и региональных СГМПВ. По критерию минимума количества классов ключевых объектов и связей между ними по типовой модели синтезирована UML-модель, оптимальная на множестве моделей региональных СГМПВ. Описаны результаты апробации этой оптимальной модели на СГМПВ Винницкой области, внедренной на практике с середины 2004 года.
The problem of creation of the model of regional geoinformation System of the State Monitoring of the Surface Water (SSMSW), considering character of practical realization of ecological monitoring in Ukraine, is considered. The typical model in the notation of the Unified Modelling Language (UML) for models sets of national and к-цюпа! SSMSW is constructed. By criterion of a minimum of quantity of key objects classes and connections between them on typical model the UML-modei. optimal on set of models regional SSMSW, is synthesized. Results of approbation of ihis optimal model on SSMSW the Vinnyisia region introduced in practice from the middle of 2004 are described
1. Постановка задачі. Необхідність та переваги створення геоінформаційннх систем державного моніторингу поверхневих вод (СДМПВ) в Україні вже ні в кого не викликають сумнівів - це підтверджується і світовим досвідом, і постановами Кабінету Міністрів України та увагою галузевих міністерств і держазних комітетів. Є чимало публікацій на цю тему та окремих розробок останніх років в Україні, з яких найбільш відомими є "Урядова інформаційно-аналітична система", створена на замовлення МНС України, система "AquaGuard", розроблена Українським науково-дослідним гідрометеорологічним інститутом, банк даних мережі спостережень Мінприроди "Гідросфера". створені Українським науково-дослідним інститутом екологічних проблем та інші. Однак ще мало є робіт, які носять теоретичний характер і які присвячені формуванню оптимальної геоінформаційної моделі СДМПВ.
Загалом, створення абсолютно оптимальної СДМПВ навряд чи є можливим і доцільним - більш реальною с розробка СДМПВ, оптимальних на певних множинах моделей, які визначаються конкретними умовами та обмеженнями. Моделі СДМПВ для центральних органів системи моніторингу, які повинні забезпечувати можливість узагальнення показників по всій країні, порівняння їх з показниками сусідніх держав, прийняття керівних рішень глобального масштабу, утворюють одну множину моделей. Моделі СДМПВ обласного чи регіонального масштабу, котрі повинні забезпечувати можливість узагальнення даних моніторингу тільки по сноїй області чи регіону та по небагатьох транскордонних створах із сусідніми областями та регіонами, а потім передавання їх до центральних органів системи моніторингу - це інша множина моделей, які будуються за інших умов, інших проблем, інших фінансових обмежень, інших критеріїв оптимізації, ніж моделі першої множини. Назвемо першу множину "Множина моделей загальнодержавних СДМПВ", а другу - "Множина моделей регіональних СДМПВ".
Побудуємо модель СДМПВ, яка буде враховувати загальні для обох множин особливості, а потім, ввівши критерій оптимізації, синтезуємо геоінформаційну модель регіональної СДМПВ, оптимальну на одноіменній множині.
2. Вихідні поняття та ключові об'єкти і класи UML-моделі СДМПВ. Побудову моделі геоін формаційної СДМПВ як складної програмної системи будемо здійснювати в позначеннях та термінології Unifide Modelling Language (UML) - уніфікованої мови моделювання, як це загальноприйнято у світі. Побудова UML-моделі геоінформаііійної системи зводиться до формулювання ключових класів об'єктів, до яких прив'язуються таблиці баз даних і яким відповідають певні об'єкти на карті. Визначимо такі ключові об'єктів класів для СДМПВ:
- "Створ" (S) - цей клас може містити такі об'єкти як "Створ гідроекологічнпх спостережень", в якому проводяться вимірювання показників якості води, "Гідропост", в якому проводяться вимірювання рівнів, витрат води та інших гідрологічних показників, тощо. На карті об'єкти класу "Створ" позначаються точковими об'єктами, а в базі даних їм відповідають таблиці із результатами відповідних вимірювань;
- "Спецводокористування"(W) (скорочено "СВK" або "Водокористування" - цe об'єкти: "Джерело стічних чи зворотних вод", "Водозабір" та інші, котрі на карті позначаються точковими об'єктами, а в базі даних їм відповідають таблиці із кількісними та якісними показниками про скид та забір води відповідно до форми 2-ТП "Водгосп";
- "Річкова система" (R) - це об'єкти: "Велика річка", "Мала річка", "Водосховище", "Ставок" та ін. На карті вони позначаються лінійними або площинними об'єктами з інформаційно-топологічним об'єднанням в єдиний мережний об'єкт "Річкова система". Часто стан ставків та водосховищ, розташованих на річках, подається як стан ділянок цих річок, отже не є помилкою заміна об'єкта "Річкова система" узагальненим об'єктом "Річка". У базі даних до об'єктів цього класу прив'язуються таблиці паспортних даних та таблиці з даними обстежень, які не можна прив'язати до певних створів, наприклад, результати спостережень за переформуванням берегів та гідрогеологічним режимом прибережних територій тощо;
- "Адміністратнпне утворення" (А) - це об'єкти: "Країна", "Регіон" (наприклад, Подільський регіон чи Донбас), "Область", "Район", "Місто", "Сільрада". На карті вони позначаються площинними об'єктами, а в базі даних до об'єктів цього класу прив'язуються таблиці з характеристиками продуктивних сил;
- "Басейн річки" (В) - це об'єкти: "Басейн великої річки", "Басейн середньої чи малої річки" тощо. На карті нони позначаються площинними об'єктами, а в базі даних до об'єктів цього класу прив'язуються таблиці з характеристиками басейну, які не характеризують головний водотік річки, наприклад: площа водозбору, лісистість тощо.
Можна виділити й інші класи об'єктів, але оптимальна UML модель будь-якої системи повинна мати якнайменше класів, і варто інші класи зводити до вже визначених.
Відповідно до визначення системи моніторингу вод із даними спостережень проводяться такі операції збирання, оброблення, збереження, аналіз, прогнозування змін, розроблення науково обгрунтованих рекомендацій для прийняття управлінських рішень про запобігання негативним змінам стану довкілля та дотримання вимог екологічної безпеки. Відповідно до виділених класів ключових об'єктів UML-моделі СДМПВ операції збирання та збереження даних регулярних спостережень реалізуються в оновленні таблиць баз даних об'єктів класів "Створ" та "СВК". Результати проведення інших досліджень водних екосистем та оновлення паспортної й допоміжної інформації зберігаються в таблицях баз даних об'єктів класів "Річка" "Адміністративне утворення" та "Басейн річки". Операції оброблення, аналізу, прогнозування та розроблення науково обгрунтованих рекомендацій для прийняття управлінських рішень здійснюються комп'ютеризованим програмним модулем з розміщенням результатів розрахунків як у спеціальних таблицях об'єктів класів СДМПВ, так і в таблицях класу об'єктів "Звіт", який містить аналітичні звіти та довідки.
3. Практична реалізація. Структура моделі обласної СДМПВ реалізована під керівництвом автора у Вінницькому національному технічному університеті для СДМПВ Вінницької області на замовлення Держуправління екології та природних ресурсів у Вінницькій області, яке очолювала Яворська Олена Григорівна. З 2004 року система офіційно впроваджена в Держуправлінні екології та природних ресурсів у Вінницькій області, Південно-Бузькому басейновому управлінні водних ресурсів, Вінницькому облводгоспі, Управлінні з надзвичайних ситуацій Вінницької області, Вінницькому облгідрометцентрі та Вінницькій облСЕС. Система має програмні модулі, які дозволяють по електронній версії форми 2-ТП "Водгосп" здійснювати автоматизонаний імпорт у банк даних відомостей про спецводокористування та нанесення на век торну карту джерел стічних чи зворотних вод та водозаборів. Також у програмі-оболонці є модуль, який дозволяє автоматизовано оновлювати довільні параметри в базі даних по відповідних параметрах об'єктів на карті. Є версія системи, яка працює з офіційно безкоштовним геоінформаційним програмним забезпеченням ГІС "Панорама" розробленим Топографічною службою Збройних сил Російської Федерації. Банк даних реалізо вано в МS Ассеss 2000/ХР/2003, оскільки саме пакет програм М5 Оffiсе 2000/ХР/2003 с найбільш поширеним у галузі екологічного моніторингу в Україні. Більш детальна інформація про систему є на сайті розробника.
На базі створеної геоінформаційної СДМПВ Вінницької області у 2004-2005 роках під керівництвом автора та за консультативною допомогою вчених з Українського НДІ водогосподарсько-екологічних проблем, який очолює А. В. Яцик, створено інформаційно-програмне забезпечення, котре дозволяє по інформації із СДМПВ Вінницької області проводити автоматизоване оцінювання якості поверхневих вод області по класах та категоріях. При цьому автоматично синтезуються карти у стандартному вигляді та таблиці з оцінками по всіх створах, водних об'єктах та різних типах оцінювання відповідно до стандартної методики.
Можлива адаптація розробленого геоінформаційно-програмного забезпечення і до іншого регіону чи області України
На содержаниеВесенние паводки воды и ливневые дожди смывают с поверхности покрытий и земли загрязнения различного происхождения в водоемы, образуя в руслах рек и прибрежной зоне водоемов наносы. Образование наносов в руслах рек приводит к изменению гидравлического режима водоема. Появляются отмели, затрудняющие пропуск воды или образуются размывы русла с подмывом неукрепленных берегов. Вследствие наносов реки мелеют и во время весенних и летних паводков выходят из берегов, затопляя пойму, что в свою очередь приносит большой ущерб строениям городской застройки.
Отведение неочищенного поверхностного стока с территории городов и промышленных площадок предприятий не только приводит к заиливанию водных объектов, но и загрязнению их нефтепродуктами и другими примесями. Нефтепродукты и их производные представляют наибольшую опасность для водостоков и водоемов. Попадая в коллектор нефть загрязняет поверхность воды пленкой различной толщины. Часть нефти находится в воде во взвешенном и растворенном состоянии. Находящиеся на поверхности воды нефтепродукты испаряются, при этом улетучивается легкая фракция, вследствие чего удельный вес оставшейся нефтяной пленки увеличивается, что способствует оседанию нефтепродуктов на дно коллектора и загрязнению донных отложений. Частично нефть откладывается на стенках коллектора. Во время транспортирования поверхностного стока по коллекторам, твердые отложения насыщенные нефтепродуктами смываются в водоемы. Попадая на дно водоема, нефть продолжает негативно влиять на жизнь водоема. При этом, часть нефтепродуктов разлагается на дне водоема, загрязняя воду растворенными продуктами распада, что вызывает отравление живых организмов, а часть вновь выносится на поверхность воды с выделяющимися со дна реки газами. На границе раздела фаз поверхность вода-воздух, пузырьки донного газа распадаются и при этом образуется нефтяная пленка.
Нефтепродукты и другие химические примеси, попадая в водную среду окисляются за счет растворенного кислорода в воде кислорода, нарушая этим кислородный режим водоема, что отрицательно влияет на живые организмы, и, как следствие, причиняет значительный ущерб рыбному хозяйству. Загрязненность воды, поступающей в водосточную сеть, изменяется в зависимости от периода смыва. В первые минуты выпадения дождя расходы стока незначительные, а поверхностные сточные воды, образующиеся при смыве с территории дождем, наиболее загрязнены. В дальнейшем расходы стока возрастают, а концентрации загрязнений в нем снижаются. Поэтому при разработке технологий очистки поверхностного стока очень важно предусмотреть эффективную очистку первых порций дождя.
Сброс неочищенных стоков в водоемы ограничивает использование его для отдыха населения и организации спортивных мероприятий. Губительные свойства неочищенных вод попадающих в реку ограничивают использование воды для технических целей и тем более для использования в системах водоснабжения с требованиями питьевого качества воды.Улучшение качества сточных вод сбрасываемых в водные объекты можно достигнуть при очистке на централизованных очистных сооружениях или с применением локальной очистки.
Однако, как показала практика, указанные мероприятия выполняются не везде, а если и выполняются, то лишь частично. В связи с этим, например, в Харьковской области в р.Ссверский Донец выше и ниже г.Изюма, а также на границе с Донецкой областью увеличилась концентрация нефтепродуктов и превысила ПДК в 4-4,2 раза. Загрязнение рек и водоемов нефтепродуктами также наблюдается в различных областях Украины. К основным источникам загрязнения окружающей среды следует отнести промышленность, сельское хозяйство и транспорт.
В связи со сложившейся экологической обстановкой и с экономической точки зрения целесообразным является создание малых очистных сооружений, позволяющих очищать поверхностные сточные воды перед сбросом в водоем непосредственно на выпуске. При разработке такого решения по данным предварительных исследовании возможно создание энергосберегающих компактных очистных сооружений (ЭКОС) в местах выпуска стоков в водоем.
По данным научных проработок при очистке поверхностного стока в компактных очистных установках достаточно эффективно осуществляется очистка от загрязнений (пескогрязеулавливание - до 80%) и всплывающих веществ (нефтемаслоулавливание - до 90%). Габариты сооружения при среднем расходе стока 0,2 м3/с по предварительным расчетам могут быть: длина 15-20 м; ширина 5-10 м; высота 1-4 м. Доочистка стоков может осуществляться с помощью фильтров-вставок устроенных непосредственно в ЭКОС. Уловленные загрязнения накапливаются в емкостях для последующего вывоза и утилизации.
Незначительная стоимость ЭКОС определяется его компактностью, возможностью изготовления из недорогих строительных материалов, возможностью эксплуатации очистных сооружений без подачи электроэнергии.
На содержаниеПоверхностный сток с территории городов и промышленных предприятий является интенсивным фактором антропогенной нагрузки на природные водные объекты. Обусловлено это тем, что при существующих системах очистки хозяйственно-бытовых и производственных сточных вод загрязненность водных объектов продолжает нарастать в основном за счет сброса в них поверхностного стока, так как основное количество поверхностного стока поступает в водоемы без очистки (в том числе 100 % с территорий жилых массивов), а имеющиеся на отдельных промпредприятиях сооружения по очистке ливневых вод практически не эксплуатируются в связи с их физической и моральной изношенностью. Наиболее неблагоприятное влияние на санитарное состояние водоемов оказывают, содержащиеся в поверхностном стоке взвешенные вещества и нефтепродукты.
На интенсивность загрязненности поверхностного стока с территории населенных пунктов влияют такие факторы, как благоустройство территории, плотность населения, интенсивность движения транспорта и пешеходов. Эти показатели постоянно изменяются в процессе урбанизации. По данным многолетних исследований (ВНИИВО в г.Харькове, АКХ им. Панфилова в Ленинграде, ЦНИИКИВР в Минске) качество загрязнений ливневого стока городов колеблется в следующих пределах:
- взвешенные вещества - 470…2460 мг/л;
- нефтепродукты - 2…63 мг/л.
Концентрации взвешенных веществ в дождевых, талых и моечных водах соизмерима или в несколько раз выше, чем в хоз-бытовых водах, поступающих на городские очистные сооружения, и многократно превышает значения этих показателей в сбрасываемых в водоемы очищенных хоз-бытовых водах. Особое значение имеет то обстоятельство, что как дождевой сток, так и талый отличаются неравномерностью состава загрязнений даже для однотипных производств.
Загрязненность снежного покрова в среднем соответствует загрязненности талых вод, в то время как загрязненность дождевых вод по всем составляющим выше талых. При залповых сбросах большого количества грубодисперсных примесей, что обычно наблюдается при выпадении дождей, происходит частичное их осаждение в створе ливневыпуска и ниже по течению, что приводит к заиливанию водоемов. Санитарными нормами не допускается сброс со сточными водами частиц с гидравлической крупностью более 0,4мм/с для проточных водоемов и 0,2мм/с - для непроточных. В поверхностном стоке содержание твердых примесей с такой гидравлической крупностью доходит до 30-40 %, причем четвертую часть осадка из поверхностного стока составляют органические вещества. Поэтому в толще наносов активно развиваются анаэробные процессы деструкции органических веществ: гниения, брожения, неполного окисления, сульфатредукции, метаногенеза, денитрификации. Указанные процессы сопровождаются выделением токсичных и дурно пахнущих газов (метан, сероводород, оксид углерода, меркаптан и др.). Эти явления подавляют аэробные микробиологические процессы в донной части водоприемников, что особенно ярко проявляется в летний период, когда повышенная температура и дефицит кислорода чрезвычайно интенсифицируют анаэробные процессы ("цветение" воды, разложение органических веществ, интенсивный рост и отмирание фитопланктона). В результате в водоемах уменьшается содержание растворенного кислорода, ухудшается запах, прозрачность, окраска, увеличивается содержание аммиака, марганца и микробиологических загрязнений. В связи с вышеизложенным ингибируется способность водоемов к самоочищению.
Основная составляющая часть нефтепродуктов - насыщенные углеводороды чрезвычайно устойчивы к микробиологической деструкции, обладают высоким токсическим эффектом, снижают доступность кислорода для гидробионтов всех уровней организации. Кроме того, химическое окисление нефтепродуктов активно снижает концентрацию кислорода в водной среде. Указанные факторы отрицательного воздействия на природные водоемы приобретают особое значение в связи с тенденцией роста концентрации нефтепродуктов в ливневом стоке, обусловленной интенсивной техногенной деятельностью и автомобилизацией.
Следует отметить, что такие показатели качества вод, как БПК и окисляемость для поверхностного стока с территории предприятий различных отраслей существенно отличаются: для машиностроительных и металлургических заводов БПК5 находится на уровне 20-30 мг/л, для коксохимических - 50-80 мг/л, а для пищевых и сельскохозяйственных производств - до 1000 мг/л. После сравнительно непродолжительного отстаивания (в течение 2-х часов) этот показатель, как правило, резко снижается. Эти значения в незначительной мере превышают предельные показатели, приведенные в справочных материалах.
Решение проблемы защиты водоемов от загрязнения поверхностным стоком осложняется значительными отличиями загрязняющих веществ и колебаниями показателей загрязненности для различных предприятий и даже для различных производств внутри одного предприятия (табл.1). Кроме того, многие предприятия, не имеют системы организованного сбора поверхностного стока со своей территории. Положение осложняется также тем, что в ряде случаев площадь его водосбора для нескольких предприятий является общей. Это приводит к тому, что при организации объединенных (групповых) блоков очистных сооружений для поверхностного стока этих заводов возникают технологические и организационные затруднения.
Таблица 1. - Состав поверхностного стока предприятий
| Показатели | Заводы | Хоз-бытовые сточные воды | |||
| масло-экстракционный | тяжелого машиностроения | тракторный | до очистки | очищенные | |
| рН | 7,0-7,5 | 7,5-8,3 | 7,2-8,2 | 6,5-8,5 | 7,0-7,5 |
| Нефтепродукты, мг/л | 10-20 | 75-125 | 30-50 | до 5,0 | до 0,5 |
| Взвешенные в-ва, мг/л | 800-960 | 100-150 | 50-70 | 150-250 | до 20 |
| Ионы тяж. мет., мг/л | - | 1,2-1,7 | 0,8-2,1 | 10-20 | до 0,5 |
| БПК5, мг/л | 90-150 | 20-50 | 60-85 | 200-300 | до 20 |
В целом состав загрязнений поверхностного стока и их концентрации существенно изменились за последние 10 лет по ряду причин:
- снизилась мощность промышленных производств, в том числе и локальных очистных сооружений, среднегодовые объемы ливневого стока не изменились, а объем очищаемого стока снизился;
- повсеместно осуществляется несанкционированный сброс в ливневую канализацию неочищенных сточных вод предприятий;
- многократно увеличилась плотность автомобильного потока, а, следовательно, и концентрация загрязнений в смывах с автомобильных дорог;
- вследствие несовершенства системы сбора жидких и твердых бытовых и промышленных отходов часть из них попадает в ливневую канализацию.
Таким образом, в последние годы резко возросла загрязненность поверхностного стока.
Традиционно очистке и обезвреживанию поверхностного стока уделялось значительно меньше внимания, чем очистке городских и промышленных сточных вод. Но в настоящее время уровень загрязненности поверхностного стока, присутствие в нем токсичных и экологически опасных соединений, объемы сбросов ставят вопрос экологической безопасности этого вида техногенной нагрузки на окружающую среду чрезвычайно остро. Решение этой проблемы затрудняется целым рядом причин, связанных как с отсутствием необходимой нормативной базы, так и различными аспектами эксплуатации специальных очистных сооружений:
- отсутствуют методические разработки, положения, нормы и правила по принадлежности, сбору, очистке и сбросу ливневых вод, такого же уровня конкретности и ответственности, как "Правила приема сточных вод в коммунальные и ведомственные системы канализации";
- отсутствуют определенная степень ответственности и единые полномочия контролирующих организаций;
- не регламентированы требования к качеству ливневых вод, поступающих в поверхностные водоемы и на очистные сооружения коммунального хозяйства.
С учетом изложенного, а также в связи возросшей степенью загрязненности ливневых вод существующие локальные сооружения даже при условии нормального технического состояния и соблюдении технологического режима эксплуатации не в состоянии обеспечить требуемую степень очистки.
В то же время низкие минерализованность и, что особенно важно, жесткость ливневых вод свидетельствуют о предпочтительности использования их в качестве подпиточной воды для оборотных циклов водопользования без дополнительных затрат не ее подготовку (снижение солей жесткости).
С другой стороны на промышленных предприятиях в целях умягчения технической воды для нужд ТЭЦ, котельных или для подпитки водооборотных систем используют, как правило, метод ионного обмена, которой заключается в фильтровании воды через слой синтетической ионообменном смолы. Процесс регенерации, состоящей из нескольких стадий, является технологически сложным и материалоемким. Так, дополнительный расход воды, необходимый на регенерацию Na-катионитовых фильтров, составляет 15-20 % от расхода умягченной воды. Кроме того, необходимы затраты электроэнергии и реагентов (NaCl, HC1 и др.). Количество последних зависит от качества исходной умягчаемой воды и вида катионитов. В себестоимости умягченной воды стоимость реагентов составляет значительную часть. Кроме этого утилизация отработанного регенерационного раствора является актуальной для многих предприятий, так как в настоящее время отсутствуют целесообразные по экономическим и экологическим параметрам технические решения данной проблемы. Поэтому, отработанные растворы, как правило, сбрасывают в городскую систему канализации, разбавляя их хоз-бытовыми и другими промстоками. Это, в свою очередь, приводит к увеличению и так достаточно высокой минерализации водных объектов, в которые поступают очищенные городские стоки.
Нашими исследованиями обоснована целесообразность сооружения или реконструкции существующих на крупных предприятиях очистных сооружений для удаления взвешенных веществ и нефтепродуктов из ливневых вод не только с территории предприятий, но и из близлежащих жилых массивов с последующим использованием очищенных ливневых вод в качестве подпиточных вод для оборотных систем.
Сокращение расхода умягченной воды за счет использования очищенного поверхностного стока позволит, с одной стороны, частично, а иногда в значительной мере решить проблему подготовки умягченной воды для технологических целей, а с другой полностью, предотвратить загрязнение водоемов поверхностным стоком.
При этом следует иметь ввиду, что затраты на очистку и повторное использование ливневых вод для различных отраслей будут значительно отличаться. Так, например, затраты на указанные цели в топливно-энергетическом комплексе и на ряде предприятий пищевой и сельскохозяйственных отраслей ниже, чем в машиностроительной и металлургической отраслях.
Авторами разработана и предлагается трехступенчатая схема очистки ливневых стоков промплощадок и жилых массивов с использованием:
- реагентного предварительного осаждения извещенных веществ, инициируемого и ускоряемого путем дозирования в определенных пропорциях компонентов композитного отечественного коагулянта, а также при необходимости корректировки рН;
- сорбции нефтепродуктов в аппаратах нестандартной конструкции, загруженных сорбентами нового поколения природного и искусственного происхождения;
- доочистки ливневых вод на фильтрах с загрузкой, в качестве которой используются: антрацитовые фильтраты, кремнезему различного состава и кристаллической структуры или другие природные и искусственные сорбенты.
Результаты показателей качества ливневой воды после очистки по указанной схеме, проведенных в лабораторных условиях приведены в табл.2.
Таблица 2. - Показатели эффективности очистки ливневых вод по предлагаемой трехступенчатой схеме
| Наименование ингридиента | Исходная вода | После I ступени | После II ступени | После III ступени |
| Взвеш. в-ва, мг/л | 400 | 50 | 5...10 | 1...2 |
| Нефтепродукты, мг/л | 40 | 10 | 5 | 0...0,5 |
| БПК, мг/л | 30 | 6...12 | 3...6 | 1...3 |
Данные, приведенные в табл.2 свидетельствуют , что такая степень очистки ливневых вод дает возможность не только использовать их для технологических нужд вместо умягченной воды, но и позволяет сбрасывать их в поверхностные водоемы, в случае необходимости, без нарушения существующих нормативов.
Капитальные и эксплуатационные затраты предлагаемой схемы в несколько раз меньше аналогичных затрат при умягчении технической воды для производственных целей традиционным ионообменным методом. При этом одновременно за счет предотвращения сброса ливневых вод в водоемы в значительной мере снижается суммарный уровень их загрязненности.
На содержаниеИмитация (моделирование) стока рек за временной интервал сутки и меньше представляет собой фундаментальную проблему инженерной гидрологии и смежных наук, в том числе связанных с защитой окружающей среды. Несмотря на многочисленные разработки в этой области проблема еще далека от своего окончательного решения (Федоровский, 1999). Среди составляющих проблемы выделяются: выбор адекватной модели, оценка измеряемых и подбор концептуальных (не измеряемых) параметров, оценка осадков за короткие интервалы.
Имитация стока с урбанизированных водосборов существенно осложняется тем, что в его формировании принимают участие гидротехнические сооружения. Это, прежде всего, водохранилища и система ливневой канализации, которые существенно трансформируют гидрограф естественного стока. Поэтому требуется введение в модели дополнительных блоков, учитывающих трансформацию естественного притока водохранилищами и ливневой сетью.
Изменяются условия формирования стока на урбанизированных склонах вследствие наличия дорожной сети и застройки, которая сокращает время добегания вод и снижает коэффициенты фильтрации, увеличивая таким образом коэффициент паводочного стока. Изменение условий, по сравнению с естественными, требуют подбора новых параметров моделей, введения в структуру модели новых блоков, ответственных за трансформацию естественного притока водохранилищами и ливневой сетью.
Среди моделей, имитирующих сток с урбанизированных водосборов, большую популярность в мире имеет Модель управления ливневым стоком (SWMM), разработанная в США Агентством защиты окружающей среды (EPA). Это большая и сложная модель, имитирующая движение выпавших на водосбор осадков и антропогенных стоков через систему труб и каналов, системы регулирования стока. Модель поддерживает расчеты стока одиночных паводков и моделирование за длительный период.
Работа модели SWMM рассматривается на примере водосбора Первой Речки, большую часть которого занимает инфрастуктура г. Владивосток. Для расчетов был выбран выдающийся ливень 17 августа 1979 года с суммой осадков около 154 мм. Дождь выпадал двумя тактами, причем основная его сумма пришлась на конец ливня. Дождь вызвал интенсивный подъем уровней воды в реке. При общей длительности паводка 31 час, основная часть его объема прошла за последние 12 часов. Сформировался максимальный расход воды, равный 98,7 м3/с, вероятность превышения которого составляет 2-3 раза за 100 лет. Максимальный расход был рассчитан по осадкам на основе методики СНиП Сахарюком А.В. Имитация данного паводка на модели позволила оценить максимальный расход воды, величина которого составляет 99.1 м3/с, что близко к его расчетному значению. Модель, кроме того, позволила рассчитать весь ход паводка по часовым интервалам. Эти данные весьма полезны для проектирования водосбросных сооружений, оценки размера и продолжительности затопления территории.
На содержаниеThe EPA Storm Water Management Model (SWMM) is a dynamic rainfall-runoff simulation model used for single event or long-term (continuous) simulation of runoff quantity and quality from primarily urban areas. The runoff component of SWMM operates on a collection of subcatchment areas that receive precipitation and generate runoff and pollutant loads. The routing portion of SWMM transports this runoff through a system of pipes, channels, storage/treatment devices, pumps, and regulators. SWMM tracks the quantity and quality of runoff generated within each subcatchment, and the flow rate, flow depth, and quality of water in each pipe and channel during a simulation period comprised of multiple time steps.
SWMM was first developed in 19711 and has undergone several major upgrades since then2. It continues to be widely used throughout the world for planning, analysis and design related to storm water runoff, combined sewers, sanitary sewers, and other drainage systems in urban areas, with many applications in non-urban areas as well. The current edition, Version 5, is a complete re-write of the previous release. Running under Windows, SWMM 5 provides an integrated environment for editing study area input data, running hydrologic, hydraulic and water quality simulations, and viewing the results in a variety of formats. These include color-coded drainage area and conveyance system maps, time series graphs and tables, profile plots, and statistical frequency analyses.
This latest re-write of SWMM was produced by the Water Supply and Water Resources Division of the U.S. Environmental Protection Agency's National Risk Management Research Laboratory with assistance from the consulting firm of CDM, Inc
SWMM accounts for various hydrologic processes that produce runoff from urban areas. These include:
Spatial variability in all of these processes is achieved by dividing a study area into a collection of smaller, homogeneous subcatchment areas, each containing its own fraction of pervious and impervious sub-areas. Overland flow can be routed between sub-areas, between subcatchments, or between entry points of a drainage system.
SWMM also contains a flexible set of hydraulic modeling capabilities used to route runoff and external inflows through the drainage system network of pipes, channels, storage/treatment units and diversion structures. These include the ability to:
In addition to modeling the generation and transport of runoff flows, SWMM can also estimate the production of pollutant loads associated with this runoff. The following processes can be modeled for any number of user-defined water quality constituents:
Since its inception, SWMM has been used in thousands of sewer and stormwater studies throughout the world. Typical applications include:
One typically carries out the following steps when using SWMM to model stormwater runoff over a study area:
Alternatively, a modeler may convert an input file from an older version of EPA SWMM instead of developing a new model as in Steps 1 through 4
Chapter 2 presents a short tutorial to help get started using EPA SWMM. It shows how to add objects to a SWMM project, how to edit the properties of these objects, how to run a single event simulation for both hydrology and water quality, and how to run a long-term continuous simulation.
Chapter 3 provides background material on how SWMM models stormwater runoff within a drainage area. It discusses the behavior of the physical components that comprise a stormwater drainage area and collection system as well as how additional modeling information, such as rainfall quantity, dry weather sanitary inflows, and operational control, are handled. It also provides an overview of how the numerical simulation of system hydrology, hydraulics and water quality behavior is carried out.
Chapter 4 shows how the EPA SWMM graphical user interface is organized. It describes the functions of the various menu options and toolbar buttons, and how the three main windows - the Study Area Map, the Browser panel, and the Property Editor-are used.
Chapter 5 discusses the project files that store all of the information contained in a SWMM model of a drainage system. It shows how to create, open, and save these files as well as how to set default project options. It also discusses how to register calibration data that are used to compare simulation results against actual measurements.
Chapter 6 describes how one goes about building a network model of a drainage system with EPA SWMM. It shows how to create the various physical objects (subcatchment areas, drainage pipes and channels, pumps, weirs, storage units, etc.) that make up a system, how to edit the properties of these objects, and how to describe the way that externally imposed inflows, boundary conditions and operational controls change over time.
Chapter 7 explains how to use the study area map that provides a graphical view of the system being modeled. It shows how to view different design and computed parameters in color-coded fashion on the map, how to re-scale, zoom, and pan the map, how to locate objects on the map, how to utilize a backdrop image, and what options are available to customize the appearance of the map.
Chapter 8 shows how to run a simulation of a SWMM model. It describes the various options that control how the analysis is made and offers some troubleshooting tips to use when examining simulation results.
Chapter 9 discusses the various ways in which the results of an analysis can be viewed. These include different views of the study area map, various kinds of graphs and tables, and several different types of special reports.
Chapter 10 explains how to print and copy the results discussed in Chapter 9.
Chapter 11 describes how EPA SWMM can use different types of interface files to make simulations runs more efficient.
The manual also contains several appendixes:
Appendix A - provides several useful tables of parameter values, including a table of units of expression for all design and computed parameters.
Appendix B - lists the editable properties of all visual objects that can be displayed on the study area map and be selected for editing using point and click.
Appendix C - describes the specialized editors available for setting the properties of nonvisual objects.
Appendix D - provides instructions for running the command line version of SWMM and includes a detailed description of the format of a project file.
Appendix E - lists all of the error messages and their meaning that SWMM can produce.
EPA SWMM - динамическая модель моделирования ливнестока, используемая для одноразового или долгосрочного (непрерывного) моделирования количества стоков и качества, прежде всего, от городских территорий. Компонент стока SWMM действует на совокупность территорий поддренажа, которые получают осадки и производят загрязненный сток. Часть направления SWMM транспортирует этот сток через систему труб, каналов, устройств хранения/обработки, насосов, и регуляторов. SWMM отслеживает количество и качество стока, произведенного в пределах каждого поддренажа, и нормы потока, глубины потока, качества воды в каждой трубе и канале в течение периода моделирования, состоящего из многократных временных шагов.
SWMM начал развитие в 1971 и с тех пор несколько раз обновлялся. Он продолжает широко использоваться во всем мире для планирования, анализа и проектирования водного стока, объединенных коллекторов, санитарных коллекторов, и других систем дренажа городских территорий, также часто применяется для негородских территорий. Текущее издание, Версия 5, является полностью переписанным с предыдущего выпуска. Работающий под Windows, SWMM 5 обеспечивает интеграцию в среду для редактирования входных данные Учебной площадки, управляя гидрологическими, гидравлическими и водными качественными моделями, и просматривая результаты в разных форматах. Они включают закодированную цветом область дренажа и доставку системных карт, графиков временных рядов и таблиц, профильных графиков, и статистических частотных анализов.
Последняя версия SWMM была создана отделом водоснабжения и водных ресурсов национальной Научно-исследовательской лаборатории Управления Риска американского Управления по охране окружающей среды с помощью от консалтинговой фирмы CDM, Inc
SWMM учитывает различные гидрологические процессы, которые производят сток с городских территорий.Они включают:
Пространственная изменчивость во всех этих процессах достигнута, для разделения Учебной площадки на меньшие, гомогенные областей поддренажа, которые содержат свою собственную долю доступных и непроницаемых подобластей. Поверхностный сток может быть разбит между подобластями, между поддренажами, или между входными точками системы дренажа.
SWMM также содержит гибкий набор гидравлических моделей, которые можно использовать для направления стока и внешних притоков через сеть системы дренажа труб, каналов, частей хранения/обработки и структур отклонения. Они включают возможность для:
В дополнение к моделированию генерации и транспортировки потоков стока, SWMM могут также оценить промышленные загрязнения, связанных с этим стоком. Следующие процессы могут быть смоделированы для любого числа определенных пользователем элементов качества воды:
Сначала SWMM использовался в тысячах сточных труб и прорывах воды во всем мире. Типичные приложения включают:
Необходимо выполнить следующие шаги при использовании SWMM, чтобы моделировать сток прорыва воды по области изучения:
Альтернативно, пользователь может преобразовать входной файл из ранней версии EPA SWMM вместо разработки новой модели как в Шагах 1 - 4.
Глава 2 представляет короткую обучающую программу для помощи в начале использования EPA SWMM. Она показывает, как добавить объекты к проекту SWMM, как редактировать свойства этих объектов, как управлять одноразовым моделированием и для гидрологии и для качества воды, и как управлять долгосрочным непрерывным моделированием.
Глава 3 обеспечивает второстепенный материал по тому, как SWMM моделирует сток прорыва воды в пределах области дренажа. Она обсуждает поведение физических компонентов, которые включают область дренажа прорыва воды и систему сбора так же как дополнительная информация моделирования, типа количества ливня, санитарные притоки в сухую погоду и эксплуатационный контроль. Это также обеспечивает краткий обзор того, как выполнено числовое моделирование гидрологии системы, гидравлики и поведения качества воды.
Глава 4 показывает, как в EPA SWMM организован графический пользовательский интерфейс. Она описывает функции различных вариантов меню и кнопок, и как используются три главных окна - Карта учебной площадки, панель Браузера и Редактор Свойств .
Глава 5 обсуждает проектные файлы, которые хранят всю информацию, содержавшуюся в модели SWMM системы дренажа. Она показывает, как создать, открыть и сохранить эти файлы так же как установить опции проекта по умолчанию. Она также обсуждает, как регистрировать данные калибровки, которые используются, чтобы сравнить результаты моделирования с фактическими измерениями.
Глава 6 описывает, как построить модели сети системы дренажа в EPA SWMM. Она показывает, как создать различные физические объекты (области поддренажа, трубы дренажа и каналы, насосы, плотины, единицы памяти, и т.д.), которые составляют систему, как редактировать свойства этих объектов, и как описать путь, который внешне проложили притоки, граничные состояния, и эксплуатационный контроль изменяемый со временем.
Глава 7 объясняет, как использовать Карта учебной площадки, которая обеспечивает графическое представление моделируемой системы. Она показывает, как просмотреть различный проект и вычисленные параметры закодированным цветом на карте, как переизмерить, изменить масштаб изображения, и панарамировать карту, как определить местонахождение объектов на карте, как использовать изображение фона, и какие опции доступны для настройки появления карты.
Глава 8 показывает, как управлять моделированием в SWMM. Она описывает различные опции, которые управляют, как анализ сделан и предлагает некоторые подсказки поиска неисправностей, чтобы использовать при исследовании результатов моделирования.
Глава 9 обсуждает различные пути, которыми результаты анализа могут рассматриваться. Они включают различные виды Карты учебной площадки, различные виды графов и таблиц и нескольких различных типов специальных отчетов.
Глава 10 объясняет, как печатать и копировать результаты, полученные в Главе 9.
Глава 11 описывает, как SWMM может использовать различные типы файлов интерфейса, чтобы делать пробеги моделирований более эффективными.
Руководство также содержит несколько приложений:
Приложение A - обеспечивает несколько полезных таблиц значений параметра, включая таблицу единиц выражения для всего проекта и вычисленных параметров.
Приложение B - вносит в список редактируемые свойства всех визуальных объектов, которые могут быть показаны на карте учебной площадки и отобраны для редактирования использования точки и щелчка.
Приложение C - описывает специализированные редакторы доступные для установки свойств невизуальных объектов.
Приложение D - обеспечивает инструкции для выполнения версии командной строки SWMM и включает детальное описание формата файла проэкта.
Приложение E - вносит в список все сообщения об ошибке и их значения, которые SWMM может выдавать.