Программный комплекс по прогнозированию и нормированию техногенных воздействий на водные объекты

Актуальность проблемы. Современный технократический тип цивилизации основан на активном, все более полном вовлечении в производственную деятельность природных ресурсов. На протяжении длительного интервала времени сиюминутные производственно-экономические интересы приводили к тому, что капиталовложения направлялись в первую очередь на увеличение масштабов производства, при этом совершенно не адекватно осуществлялась коррекция техногенного воздействия на окружающую среду. Данные обстоятельства привели к существенному ухудшению состояния различных экологических объектов, в том числе водных.

Пермская область является регионом с высоко развитой промышленностью. Особое развитие на территории Пермской области получили предприятия черной и цветной металлургии, целлюлозно-бумажной, химической, нефтеперерабатывающей, нефтедобывающей и горнодобывающей промышленности. Не соответствие капиталовложений, направляемых на развитие производственных мощностей, финансовым вложениям, предназначенным для ликвидации негативных воздействий данных предприятий на водные объекты, вызвало значительное загрязнение поверхностных водных объектов на территории Пермской области.

Следует также отметить, что многие водные объекты, расположенные на территории Пермской области, имеют не только локальное, региональное значение, но и способны оказать существенное влияние на состояние водных ресурсов на значительной части территории Российской Федерации. Это связано с тем, что р. Кама является самым крупным притоком важнейшей водной артерии России р. Волга.

Помимо перманентного загрязнения, вызванного функционированием промышленных предприятий, нельзя не учитывать возможность аварийного попадания загрязняющих веществ в воду. По мере продолжения использования физически и морально устаревшего оборудования на промышленных предприятиях вероятность техногенных аварий, приводящих к попаданию загрязняющих веществ в водные объекты, значительно возрастает.

Еще одним существенным фактором риска является повторное загрязнение водных объектов. За длительный период сброса загрязняющих веществ, образовавшихся в процессе различных технологических процессов, в донных отложениях поверхностных водных объектах накопилось значительное их количество. Существенное изменение гидрологического режима связанное с сезонными природными явлениями или возможными катаклизмами, связанными с непродуманными действиями со стороны людей, могут привести к существенному увеличению содержания загрязняющих веществ за счет их вымывания из донных отложений. Такое положение вещей во многом усугубляется недостаточной практической изученностью донных отложений, а так же недооценкой потенциальной опасности данных процессов для экологического состояния водных объектов и всего региона в целом.

Таким образом, задачи контроля за состоянием поверхностных водных объектов Пермской области и регламентации воздействий на его основе представляются весьма важными. Однако сложные экономические проблемы, с которыми сталкиваются государственные органы, призванные осуществлять мониторинг поверхностных водных объектов, приводят к тому, что сфера их деятельности не только не расширяется, а напротив — сужается. В данных обстоятельствах остро встает проблема осуществления целенаправленной концентрации всей совокупности информации, которая была накоплена за длительной период функционирования государственных органов и научных подразделений, осуществляющих контроль за состоянием поверхностных водных объектов.

Следует подчеркнуть, что традиционный подход к проблеме оценки техногенного воздействия осуществляется в рамках локальной схемы «отдельный водовыпуск» —" «водный объект». Однако при достаточно высокой плотности техногенных нагрузок, характерных для промышленно развитых регионов, данная схема является совершенно неприемлемой, так как техногенное воздействие, оказываемое на водный объект совокупностью источников загрязнения, расположенных в непосредственной близости друг от друга, нельзя рассматривать как арифметическую сумму концентраций загрязняющих веществ, поступающих в водный объект от каждого источника.

Необходим достаточно полный и объективный учет всех источников загрязнения, как декларированных, так и потенциальных, расположенных в бассейне рассматриваемого водного объекта.

В настоящее время реализация такого подхода возможна только путем создания централизованной системы оперативного прогнозирования и нормирования техногенных нагрузок на водные объекты в масштабах региона и может быть осуществлена при условии достаточно полного использования возможностей современных вычислительных средств.

Только при таком подходе представляется возможном максимально объективно оценить состояние водного объекта, что в свою очередь необходимо для решения целого ряда задач, в том числе задач:

— регламентирования техногенных воздействий на поверхностные водные объекты;

— прогнозирование состояния поверхностных водных объектов, как при декларированных воздействиях, так и при различных сценариях техногенных аварий.

Цели и задачи диссертационной работы. Целью данной диссертационной работы является создание единого комплекса программных продуктов для создания и функционирования централизованной системы оперативной оценки воздействия техногенных комплексов на водные объекты в масштабах крупного региона. Для обеспечения эффективной работы данного комплекса необходимо было решить следующие задачи:

— централизованное хранение и накопление информации:

— о состоянии водных объектов;

— об объектах водоотведения и составе отводимых стоков;

— прогнозирование содержания загрязняющих веществ в поверхностных водных объектах при различных гидрологических и гидрохимических режимах, составе и режимах сброса в него отводимых стоков;

— регламентация техногенных воздействий на водные объекты с учетом интереса всех водопользователей, расположенных в бассейне данного водного объекта.

Данные задачи были решены на примере Пермской области.

Научная новизна. Научная новизна работы состоит в выработке методологии, а так же её последующей реализации при создании комплекса программных продуктов, включающих как информационные базы данных, так и различные модули, обеспечивающие решение поставленных задач в масштабах крупного промышленного региона.

Практическая ценность. Созданные на основе разработанной методологии программные средства позволяют более оперативно и объективно решать задачи как оценки состояния водного объекта, так и прогнозирование последствий техногенных воздействий, а так же осуществлять регламентацию этих воздействий на водные объекты. Данный программный комплекс успешно используется для указанных выше задач в масштабах Пермской области в Пермском областном комитете по охране природы. Отдельные элементы комплекса внедрены в ряде организаций, связанных с проблемой оценки и регламентации техногенных воздействий на водные объекты, в том числе в Пермском городском комитете по охране природы, СТУЭК (Северное территориальное управление экологического контроля, г. Березники), Сарапульском водоканале. Так же ряд программных модулей системы используется при практическом обучении студентов соответствующих специальностей в Пермском государственном университете и в Пермском государственном техническом университете. Результаты, выносимые на защиту. Разработанная методология создания и программная реализация централизованной системы оперативного прогнозирования и нормирования техногенных нагрузок на водные объекты в масштабах крупных промышленных регионов, включающая в себя:

— ведение баз данных по широкому спектру показателей, связанных с экологическим мониторингом поверхностных водных объектов;

— прогнозирование последствий декларированного воздействия, а так же техногенных аварий, связанных с попаданием в поверхностные водные объекты загрязняющих веществ;

— нормирование вредных воздействий на водные объекты как техногенного, так и бытового характера.

Апробация работы.

Основные положения и результаты работы докладывались на: Международном конгрессе «Вода: Экология и технология», Москва, 1994 г.;

Межотраслевом научно-техническом технологическим конгрессе «ТЭК: проблемы и пути решения" — Международной конференции Загрязнение окружающей среды (1СЕР'95);

Всероссийской конференции «Бассейн реки: эколого-водохозяйственные проблемы рационального водопользования», Екатеринбург, 1996;

Втором международном конгрессе «Вода: Экология и технология», Москва, 1996 г.;

Первой международной конференции «Экологическое моделирование и оптимизация в условиях техногенеза» ЭМО-96, Минск, 1996;

Международном симпозиуме «Чистая вода России-97», Екатеринбург, 1997.

Заключение

.

Результатом выполненной диссертационной работы явилось создание единого комплекса программных продуктов, получившего название программный комплекс «КАМА». Данный комплекс был создан для оперативной оценки воздействия техногенных комплексов на водные объекты в масштабах крупного региона и апробирован на примере Пермской области, крупного промышленного региона, для которого характерно наличие большого количества поверхностных водных объектов различных типов, а так же широкое вовлечение этих объектов в хозяйственную деятельность человека.

Структура программного комплекса построена исходя из обеспечения максимальной эффективности его функционирования. Она содержит три основных блока:

— информационный блок, включающий в себя базы данных по гидрохимическим и по гидрологическим характеристикам поверхностных водных объектов, по декларированному использованию воды, информационную базу по физико-химическим и токсикологическим характеристикам загрязняющих веществ;

— блок прогнозирования распространения загрязняющих веществ в поверхностных водных объектах, который включает в себя пакет модулей. Данный пакет предназначен для решения задач моделирования распространения загрязняющих веществ в различных поверхностных водных объектах при аварийных ситуациях и для регламентного режима водопользования. При этом выбор оптимального расчетного модуля осуществляется из определенных критериев отбора;

— блок нормирования техногенных нагрузок на поверхностные водные объекты (включает в себя программные средства, предназначенные для расчета предельно допустимых сбросов загрязняющих веществ как непосредственно в поверхностные водные объекты, так и на групповые очистные сооружения). Для решения поставленной задачи в контексте создания оперативной системы прогнозирования и нормирования техногенных воздействий выполнены следующие работы:

— дан анализ действующей системы мониторинга поверхностных водных объектов Пермской области, а также техногенных источников их загрязнения;

— разработана классификация источников загрязнения;

— созданы информационные базы данных;

— разработаны расчетные модули.

1. Показано, что действующая система мониторинга в силу ряда объективных причин не может быть признана достаточной. Её основные недостатки вызваны целым рядом причин. Из-за недостаточного финансирования сокращается как количество пунктов контроля Росгидромета за состоянием поверхностных водных объектов, так и уменьшается частота проводимых измерений. Контроль же, осуществляемый ведомственными и муниципальными организациями, слабо согласован.

2. Дана характеристика декларированных источников загрязнения поверхностных водных объектов и показано, что, несмотря на значительный запас водных ресурсов, загрязнение поверхностных водных объектов производится на относительно не значительной площади и сильно локализовано в районах промышленных центров. Причем водные объекты, являющиеся непосредственными приемниками сточных вод, существенно различны по гидрологическому режиму.

3. Классификация источников техногенного загрязнения построена исходя из требований максимальной формализации выбора оптимальных расчетных модулей для решений конкретных задач. Построены функциональные зависимости, классифицирующие источники загрязнения с приемлемой степенью точности.

4. Выполненный анализ процессов переноса загрязняющих веществ в естественных русловых потоках показал, что адекватность конкретного расчетного модуля зависит как от правильности выбора математической модели, так и от точности задания исходных данных. Была показана нецелесообразность построения единой математической модели в масштабах региона по причине громоздкости, высоких требований к аппаратному обеспечению и к точности задания большого количества исходных параметров. В связи с этим был принят «пакетный» принцип проведения расчетов, т. е. оптимальные модели используются для конкретных условий. В рамках комплекса работают модели: одномерная модель (программа «Линия»), двухмерная модель (программа «Водохранилище») и трехмерная модель (программа «Зона загрязнения»).

Основными информационными базами являются:

— база данных по гидрохимии поверхностных водных объектах, основанная на данных сетевых наблюдений, осуществляемых системой пунктов контроля Росгидромета;

— база по декларированному водопользованию, основанная на данных официальной формы отчетности предприятий-водопользователей «2ТП-водхоз».

6. Блок нормирования представлен программами для расчета предельно-допустимых сбросов загрязняющих веществ как непосредственно в поверхностные водные объекты, так и на групповые очистные сооружения.

Программный комплекс «КАМА» представляет собой совокупность связанных программных продуктов, логически дополняющих друг друга. Только при условии совместного использования информационных баз данных можно с максимально-возможной адекватностью задать характеристики водного объекта и источники поступления в него загрязняющих веществ. Это в свою очередь необходимо как при решении задач нормирования, так и задач прогнозирования распространения загрязняющих веществ.

Необходимо отметить, что информационные потоки в программном комплексе «Кама» не являются односторонними, т. е. они не исчерпываются потоками от информационных баз данных к программам, рассчитывающим те или иные аспекты водопользования. Так, например, логически взаимосвязаны база данных по декларированному использованию воды и программы по расчету предельно-допустимых сбросов загрязняющих веществ в водные объекты. Причем, информационные потоки в данном случае имеют ярко выраженный двусторонний характер.

Аналогично обстоят дела и с задачами прогнозирования распространения загрязняющих веществ. Производя конкретные расчеты по моделированию процессов загрязнения от источников поступления загрязняющих веществ можно, например, оптимизировать расположения пунктов контроля за состоянием поверхностных вод.

Данные задачи были решены на примере Пермской области. Однако представляется возможным перенос методологии и разработанных программных средств на другие промышленно развитые регионы, где наиболее актуальна задача с рациональным использованием поверхностных водных ресурсов.

В настоящее время программный комплекс «Кама» используется в Пермском областном комитете по охране природы и ряде других организаций Пермской области и Урала, осуществляющих функций контроля за состоянием водных объектов.