Оценка релаксационного воздействия техногенных cбросов на водные объекты

УДК 34.35.51:87.03.17
На правах рукописи
КУРАКБАЕВА СЕВАРА ДЖУМАГАЛИЕВНА
Оценка релаксационного воздействия техногенных cбросов
на водные объекты
25.00.36 – Геоэкология
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Республика Казахстан
Шымкент, 2010
Работа выполнена в Южно-Казахстанском государственном университете им.
М.О. Ауезова
Научный руководитель:
доктор технических наук
Шакиров Б.С.
Официальные оппоненты:
доктор технических наук
Заурбек А.К.
кандидат технических наук
Болысбек А.А.
Ведущая организация:
Алматинский институт энергетики и связи
Защита состоится 4 марта 2010г. в 1430 часов на заседании диссертационного
совета Д 14.23.02 при Южно-Казахстанском государственном университете им.
М.О. Ауезова в ауд. 342 главного корпуса по адресу: 160012, г. Шымкент, пр. Тауке
хана, 5.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Южно-Казахстанского государственного университета имени М.Ауезова по адресу: 160012, г. Шымкент, пр.
Тауке хана, 5, главный корпус, ауд. 215.
Автореферат разослан «25» января 2010г.
Ученый секретарь
диссертационного совета Д 14.23.02
доктор технических наук
А. А. Анарбаев
2
ВВЕДЕНИЕ
Общая характеристика работы. На современном этапе к промышленным
предприятиям предъявляются жесткие требования в отношении экологической безопасности их деятельности. Однако, несмотря на это, в Казахстане существует проблема повреждения и истощения естественных экологических систем и природных
ресурсов. В настоящей работе рассматриваются вопросы воздействия промышленных сбросов на водную среду. Общие подходы и методы расчета, позволяющие
рассчитывать распространение загрязнений в водных объектах, до сих пор развиты
слабо. Разработка соответствующей надежной методологии позволила бы более
точно оценивать ущерб, наносимый стоками промышленных предприятий на водные источники, как во время сброса, так и по истечении определенного времени.
Для решения и исследования подобных экологических задач целесообразно применение методов математического моделирования, которые позволяют оценить и
спрогнозировать воздействие того или иного явления на окружающую среду. С точки зрения эффективности такой подход даст возможность своевременно снабжать
контролирующие органы оперативной информацией о возможных последствиях
аварийных сбросов и степени загрязненности водной среды в любой момент времени.
Актуальностьработы. Быстрый темп развития различных отраслей промышленности, энергетики, транспорта, рост численности населения и другие факторы
оказывают определенное неблагоприятное воздействие на окружающую среду. Особое беспокойство вызывает состояние водных ресурсов, которые подвергаются
ударному воздействию сбросов вредных веществ антропогенного происхождения.
Для решения проблем охраны водных ресурсов и их рационального использования, защиты от истощения и загрязнения требуется проведение мониторинга,
оценки и прогнозирования их состояния. Решение вопросов охраны и использования
водных ресурсов возможно при наличии достоверной информации о состоянии качества воды в водных системах, а также при разработке научно обоснованных подходов и методов расчета распространения загрязнения в водных объектах. Масштабное загрязнение водных объектов побуждает многих исследователей к применению математического моделирования при описании данного экологического явления.
В то же время, известные подходы и методы оценки воздействия техногенных
сбросов на водные экосистемы обладают узким диапазоном применимости и характеризуются сложными алгоритмами решения.
Южно - Казахстанская область, являясь одной из промышленных, густонаселенных и вододефицитных регионов страны, подлежит всестороннему мониторингу,
в том числе и исследованию ее водных объектов. Решение проблем динамического
моделирования загрязнения водных систем осложняется неполнотой и неточностью
информации, трудностями ее сбора и обработки, неопределенностью выбора экологических показателей, пригодных для оценки данной среды.
В связи с этим актуальны исследования техногенного воздействия на водные
системы, наблюдения изменения гидрологического режима водных объектов, а также качественного состава воды в них, и разработка на этой основе методов оценки и
3
прогнозирования воздействия сбросов промышленного производства на водные
объекты.
Цель работы состоит в разработке методологии расчета распространения загрязняющих сбросов и оценки релаксационного воздействия этих сбросов на водные
объекты.
В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:
- анализ экологического состояния рек Южно –Казахстанской области;
- разработка прогнозных решений для оценки качества вод рек по показателю
индекса загрязнения воды;
- исследование динамических характеристик распространения загрязняющего
вещества в замкнутом водном объекте;
- создание математических моделей для анализа распространения промышленных сбросов и релаксации загрязнений в системе водных резервуаров;
- разработка программного обеспечения для расчета и мониторинга распространения промышленных сбросов в водной среде;
- создание комплекса программ, предназначенных для анализа изменения концентраций примеси в системе сообщающихся водоемов;
- апробирование и проверка адекватности методики расчета распространения
загрязнений в водном объекте путем проведения опытно-промышленных испытаний по оценке состояния сточных вод, поступающих в Акдалинский пруд –
испаритель;
- разработка рекомендаций для анализа последствий в случае аварийного сброса на предприятии АО «3-Энергоорталық».
Предмет и объект исследования. Предметом исследований является оценка
качества водной среды, изучение распространения сбросов загрязняющих веществ в
одиночном водном объекте и их системе с применением методов математического
моделирования, а также апробация разработанной модели на конкретном водном
объекте, и изучение динамики изменения индекса загрязнения вод (ИЗВ) основных
рек ЮКО с выработкой прогнозных оценок на два последующих года (2009 -2010
г.г.).
Объектами исследования явились поверхностные воды рек: Сырдарья, Арысь,
Келес, Бадам, Ленгерсай, Кошкар-Ата, Сайрам-Су и Шардаринского водохранилища.
Объектом для апробирования модели распространения загрязнений в водном
объекте выбран Акдалинский пруд –испаритель.
Связь данной работы с другими научно-исследовательскими работами. Работа выполнялась в рамках тематического плана научно-исследовательских работ
ЮКГУ им. М. Ауезова по государственному заказу МОН РК по теме: «Создание ресурсосберегающих технологий и экологическая оптимизация производств на примере Южно- Казахстанского региона» (№6-ТФ-01-05-6), а также в рамках программы
«Мониторинг, моделирование и прогнозирование катастроф и аварий техногенного
характера в химической, нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности» по разделу «Компьютерный и математический анализ данных по катастрофам и авариям техногенного характера в химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих промышленностях РК» на базе дочернего государственного
предприятия «Республиканский научно-исследовательский центр по проблемам
4
безопасности в химической, нефтехимической, нефтегазоперерабатывающей,
микробиологической, химико-фармацевтической и пищевой промышленности»
(ДГП «РНИЦБХП») Республиканского государственного предприятия «Национальный научно-исследовательский центр по проблемам промышленной безопасности» Министерства по чрезвычайным ситуациям Республики Казахстан (РГП
ННИЦ МЧС РК).
Научная новизна работы:
1. Разработаны математические модели, позволяющие дать оценку релаксации степени загрязнений сообщающихся водных резервуаров при залповых сбросах.
2. Обосновано применение метода локальных источников для решения задачи распространения объемных и поверхностных загрязнений в водных резервуарах различного типа при залповом сбросе.
3. На основании методики расчета распространения загрязнений в водном объекте
даны оценки времени релаксации загрязнений в резервуаре.
4. Разработаны модели распространения примеси в системе сообщающихся водных
резервуаров для примесей различного вида: неразложимой, биологически репродуцирующей, а также разлагающейся химической примеси.
5. Определены времена запаздывания пика концентраций загрязняющих веществ в
различных резервуарах сообщающихся систем.
Практическая ценность. Результаты работы позволяют оценить загрязненность реально существующих водных объектов в результате техногенного воздействия и могут быть применимы при мониторинге, моделировании и прогнозировании последствий аварийных сбросов техногенного характера в различных отраслях
промышленности Республики Казахстан. В частности, даны рекомендации для анализа последствий в случае аварийного сброса на предприятии АО «3Энергоорталық». Результаты работы применялись в разработке программы «Мониторинг, моделирование и прогнозирование катастроф и аварий техногенного характера в химической, нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности»
по разделу «Компьютерный и математический анализ данных по катастрофам и авариям техногенного характера в химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих промышленностях РК».
Разработан программный комплекс для применения метода расчета распространения загрязнений в водном объекте, позволяющий работать с большими массивами входных данных, получать результаты высокой точности и достаточной
наглядности. Для анализа изменения концентраций примеси в системе сообщающихся водоемов в среде Delphi также разработан программный комплекс.
Разработанные и апробированные модели могут дополнить исследования, посвященные диффузионному загрязнению рек и водоемов.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
1. Результаты анализа экологического состояния рек Южно –Казахстанской области.
2. Модели для наиболее распространенных случаев загрязнений водной среды.
3. Научно-обоснованные подходы к моделированию распространения промышленных сбросов в системе водных резервуаров с учетом и без учета фильтрации вод в
грунте.
5
4. Результаты оценки релаксационного воздействия промышленных сбросов на состояние водных объектов.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на международных научно-практических конференциях: Труды международной научной
конференции «Актуальные проблемы образования, науки и производства -2007»
(г.Шымкент, 2007г.); Труды международной научной конференции «Актуальные
проблемы науки и образования в современных условиях» (г. Шымкент, 2008г.);
Труды международной научно-практической конференции «Экология и жизнь»
(Россия: г.Пенза, 2008г.); Труды международной научно-практической конференции
«Основные проблемы и перспективные направления развития научных исследований 2008» (г. Алматы, 2008г.); Труды международной научно-практической конференции «Химия в строительных материалах и материаловедение в XXI веке» (г.
Шымкент, 2008г.).
Личный вклад автора состоит в постановке и решении сформулированных задач, в разработке программного комплекса и проведения численных экспериментов.
Научные и практические результаты работы, анализ и обобщение этих результатов
также осуществлены автором диссертации.
Публикации. Основные научные результаты диссертационной работы отражены в 14 трудах, в том числе 7 научных статей опубликованы в периодических изданиях, рекомендованных Комитетом по контролю в сфере образования и науки
МОН РК, 5 статей в сборниках трудов Международных конференций и 2 программы
для ЭВМ зарегистрированы в Комитете по правам интеллектуальной собственности
Министерства юстиции Республики Казахстан.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов,
выводов, списка использованных источников из 172 наименований и приложения.
Работа изложена на 162 страницах печатного текста, содержит 11 таблиц, 78 рисунков и 8 приложений.
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследований, изложены научная новизна и ее практическая
значимость. Приведены данные о структуре и объеме работы.
В первом разделе приведен обзор современного состояния основных направлений работ по проблеме техногенного воздействия на водные ресурсы. Раскрыты
преимущества применения математических моделей в оценке экологической
ситуации, приведена характеристика статических, динамических и стохастических
классов моделей экологических систем. Показана целесообразность и эффективность математических методов и моделей в решении экологических задач.
Приведен обзор литературных источников, посвященных водным проблемам
Казахстана, рассмотрена необходимость проведения мониторинга для контроля и
нормирования сбросов в водную среду, а также применения математических
методов для исследования данной области. В частности, рассматриваются
особенности моделирования загрязнений водных систем. В данном разделе на основании информационно-аналитического обзора по пяти экологическим вопросам Республики Казахстан, подготовленного ведущими экспертами стран Центральной
6
Азии в рамках Меморандума CARNet-РЭЦЦА (май, 2009 г.), приводятся сведения
об основных экологических нагрузках на речные бассейны Казахстана. Раскрыта
степень изученности проблемы антропогенного воздействия на водные объекты, а
также описаны модели распространения загрязняющих веществ и прогнозирования
качества воды.
Отмечено негативное влияние сбросов ТЭС и АЭС на состояние водных систем.
На основаниии проведенного литературного обзора поставлены задачи
исследований.
Второй раздел посвящен анализу состояния загрязненности основных поверхностных рек Южно- Казахстанской области (ЮКО) по основным показателям загрязняющих веществ и превышении ПДК за период 2001 – 2008 г.г.
Построены диаграммы, характеризующие содержание основных загрязняющих
веществ в реках Сырдарья, Келес, Бадам и в Шардаринском водохранилище, превышающих предельно допустимые концентрации за период 2001 – 2008г.г. Для
оценки качества поверхностных вод изучена динамика индекса загрязнения воды некоторых рек ЮКО за период 1992 – 2007г.г. (рисунок 1).
4,5
4
3,5
ИЗВ
3
2,5
2
1,5
1
0,5
0
1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007
Годы
ИЗВ р.Сырдарьи
ИЗВ р.Келес
ИЗВ р.Бадам
ИЗВ р.Арысь
ИЗВ р.Кошкар-Ата
ИЗВ р.Сайрам -Су
ИЗВ Шардар. водохранилища
ИЗВ р.Ленгерсай
Рисунок 1 - Качество поверхностных вод основных рек ЮКО
за 1992-2007г.г.
На основе анализа статистической информации за период 1992 – 2007г.г. с использованием метода экстраполяции получены прогнозные оценки ИЗВ на 2009 2010 г.г. по рекам: Сырдарья, Арысь, Келес, Бадам, Ленгерсай, Кошкар-Ата,СайрамСу и Шардаринскому водохранилищу.
По результатам анализа разработаны трендовые модели для таких групп рек, как
Арысь, Келес, Бадам, Ленгерсай, Сайрам-Су и показано, что исследуемый период
характеризуется ростом индекса загрязнения воды, а для рек Сырдарья, Кошкар-Ата
и Шардаринского водохранилища наблюдается его снижение.
7
В третьем разделе обоснованы идеи и разработана адаптация метода локальных
источников применительно к задачам распространения загрязнений в водных
резервуарах. Разработаны одномерные, двумерные и трехмерные модели для описания наиболее распространенных случаев загрязнений водной среды. Решена
одномерная диффузионная задача, характеризующая процесс распространения
загрязнений в сточной трубе. В ходе исследования рассмотрены смещенные и
несмещенные способы расположения источника загрязнения относительно центра
исследуемой области. Построены графики распространения загрязняющих веществ
в сточной трубе для этих случаев. Произведен расчет распространения загрязнений
в поверхностных слоях водного объекта путем построения двумерной модели. Для
анализа состояния поверхностного слоя водного объекта первоначально была
рассмотрена двумерная задача при наличии одного источника загрязнения. Графически данная задача может быть представлена в виде рисунка 2.
Рисунок 2 - Двумерная задача для анализа состояния поверхностного слоя водного объекта при наличии одного источника загрязнения
Были введены следующие обозначения: 2В –длина области, м; 2А –ширина области, м; 2k, 2n – размеры области начальной локализации примеси по длине и ширине соответственно, м; s - расстояние от центра источника загрязнения до середины области по длине, м; h - расстояние от центра источника загрязнения до середины области по ширине, м; t - период наблюдения; D – коэффициент диффузии.
Распространение примеси для исследуемого процесса описывается двумерным
уравнением диффузии:
  2C  2C 
C
 D 2  2  .
(1)
t

x

y


Показано, что в соответствии с методом локальных источников общая концентрация
примеси
для
данной
задачи
рассчитывается
по
формуле:
~
C ( x, y, t )   (C1 ( x, y, t )  C2 ( x, y, t )  C3 ( x, y, t )  C4 ( x, y, t )  C5 ( x, y, t )) ,
(2)
8
где значения C1 ( x, y, t ) , C 2 ( x, y, t ) , C3 ( x, y, t ) , C 4 ( x, y, t ) , C5 ( x, y, t ) ,
формулам:

С1 ( x , y, t )  
2
2
1

e
 
  D  t  k n
2
k
1


С2 ( x , y, t )  
   e
 2   D  t  kn
2
k
n
n
находятся по
 ( x  ) 2  ( y  ) 2 


4Dt




d d ,
 [ 2 ( B  s )  x   ] 2  ( 0  ) 2 


4 D  t




d d ,
 [ 2 ( B  s )  x   ] 2  ( 0  ) 2 

4 D  t



1


С3 ( x , y, t )  
    e 
 2   D  t  kn
2
k
n
1


С4 ( x , y, t )  
   e
 2   D  t  kn
2
k
n
 ( 0   ) 2 [ 2 ( h  A )  y  ] 2 


4 D t




k
n
d d ,
 ( 0   ) 2 [ 2 ( A  h )  y   ] 2 

4 D  t



1


С5 ( x , y, t )  
    e 
 2   D  t  kn
d d ,
d d .
Картина рассеивания примеси и величина общей концентрации загрязняющего
вещества в водном объекте будет различна в зависимости от периода наблюдения.
Применение вышеописанной методики целесообразно для анализа состояния
поверхностного слоя водного объекта при наличии лишь одного источника загрязнения. Данный подход позволяет рассчитать концентрацию загрязняющего вещества за определенный период времени, а также наглядно представить картину рассеивания примеси при определенных исходных данных.
Наряду с этим в данном разделе был рассмотрен процесс загрязнения поверхностных слоев замкнутого водного объекта двумя источниками загрязнения. В
частности, была изучена методика расчета концентрации примеси в зависимости от
расположения этих двух источников загрязнения.
В данном разделе диссертационной работы представлены графики, характеризующие распространение примеси в водной среде для двумерного пространства при
наличии двух источников загрязнения, расположенных на разных уровнях при временах: 10 с, 15 с, 100 с, 200 с, 300 с, 400 с.
Особый интерес представляет трехмерная задача, характеризующая процесс загрязнения замкнутой водной среды сточными водами промышленных предприятий.
В частности, изучены два возможных способа расположения источника загрязнения
относительно дна водоема, зависящих от типа загрязняющих веществ, содержащихся в сточных водах. Графическая интерпретация этих случаев представлена на рисунке 3 (а,б).
9
а
б
Рисунок 3 - Возможные варианты расположения источника загрязнения относительно дна водоема: на дне (а), на некотором расстоянии от дна (б)
Здесь 2A, 2B, 2M – показатели, характеризующие размеры водоема (ширину,
длину, высоту); s, h, q - расстояние от середины источника до середины водоема по
длине, ширине и высоте; 2k, 2n, 2p – соответственно длина, ширина, высота источника загрязнения; γ - коэффициент рассеяния примеси через поверхность воды в
водоеме.
Распространение в водоеме примеси описывается трехмерным уравнением
диффузии:
  2C  2C  2C 
C
 D 2  2  2 
(3)
t
y
z 
 x
В соответствии с методом локальных источников общая концентрация примеси
в водоеме для двух исследуемых случаев рассчитывается по формуле:
~
C(x, y, z, t)  (C1 (x, y, z, t)  C 2 (x, y, z, t)  C 3 (x, y, z, t)  C 4 (x, y, z, t)  C 5 (x, y, z, t)  C 6 (x, y, z, t)    C 7 (x, y, z, t)) , (4)
10
где значения С1(x,y,z,t), С2(x,y,z,t), С3(x,y,z,t), С4(x,y,z,t), С5(x,y,z,t), С7(x,y,z,t),
находятся по формулам:
3
1


С1 ( x, y, z, t )  
    e
 2   D  t  k n p
3
k
p
n
k n p
1


С3 ( x, y, z, t )  
    e
 2   D  t  knp
3
k n p
1


С4 ( x, y, z, t )  
    e
2


D

t

 knp
3




k n p
d dd
,
 [ 2 ( B  s )  x   ]  ( 0  )  ( 0   )
4 D  t

1


С2 ( x, y, z, t )  
     e 
 2   D  t  knp
3
 ( x   ) 2  ( y  ) 2  ( z   ) 2

4 D  t


2
2
2




d dd ,
 [ 2 ( B  s )  x   ] 2  ( 0  ) 2  ( 0   ) 2 


4 D t


 ( 0   ) 2 [ 2 ( h  A )  y  ] 2  ( 0   ) 2 


4 D  t


d dd ,
 ( 0   ) 2 [ 2 ( A  h )  y  ] 2  ( 0   ) 2 

4 D  t


1



С5 ( x, y, z, t )  
    e 
 2   D  t   k n p
3
k n p
 ( 0   ) 2  ( 0  ) 2 [ 2 ( M  q )  z   ] 2

4 D  t

k n p
d dd ,
d dd ,


1



С7 ( x, y, z, t )  
d dd .
    e
2


D

t

  k n p
Следует заметить, что формула для нахождения значения С6(x,y,z,t) будет зависеть от расположения источника загрязнения. Так для случая, когда источник загрязнения находится на некотором расстоянии от дна, значение С 6(x,y,z,t) находится по формуле:
3
k n p
1


С6 ( x, y, z, t )  
    e
 2   D  t   k n p
 ( 0   ) 2  ( 0  ) 2 [ 2 ( M  q )  z   ] 2 


4 D  t


d dd
, (5)
а для источника загрязнения располагаемого на дне водного объекта по формуле:
3
k n p
1


С6 ( x, y, z, t )  
    e
 2   D  t   k n p
 ( 0   ) 2  ( 0  ) 2  ( 2 p  z   ) 2 


4 D  t


d dd
. (6)
В ходе проведения численных экспериментов, характеризующих загрязнение в
трехмерном пространстве, получена оценка динамических характеристик распространения загрязняющего вещества в замкнутом водном объекте. Результаты данного численного эксперимента позволяют сформировать представление о степени загрязнения определенного участка водной среды в зависимости от релаксационного
периода, расположения и размеров источника загрязнения и водоема, типа загрязняющего вещества.
В четвертом разделе разработана математическая модель динамики
загрязнений проточного резервуара в результате воздействия стоков промышленных
предприятий. Рассмотрены различные
случаи поведения неразложимой,
биологически репродуцирующей и разлагающейся химической примесей в потоке.
11
В качестве примера рассмотрена система трех проточных резервуаров. Составлена и решена система уравнений баланса загрязнений этих водных резервуаров
устойчивой примесью. Описана временная динамика концентрации примеси в трех
водоемах во время и после завершения сброса в течении определенного периода.
Построена модель динамики загрязнений систем сообщающихся резервуаров с учетом фильтрации вод в грунте. Схема потоков в системе трех сообщающихся водных
бассейнов с учетом фильтрации приводится на рисунке 4.
Рисунок 4 - Схема потоков в системе трех сообщающихся водных резервуаров с
учетом фильтрации
Математическая модель динамики загрязнений водных резервуаров устойчивой
примесью с учетом процесса фильтрации в грунте:
 dc1
*
( I)
 V1 dt  I( t )  s 0  c1  I( t )  (s 1  s 2 )  c1
 dc

2
 1  s * 1  c 1 
1  s *1  c 2
(II)
V2
,
dt

 V dc 3    s  c 
1   3  s *1  c 2
 (1   3  s *1   2  s 2 )  c 3 (III)
3
2
2
1

dt
(7)
где 1 ,  2 ,  3 - коэффициенты фильтраций.
Для
системы
(7)
характерны
следующие
*
допущения: s1  s 2  s 0 ,
s k  1   3  s1*   2  s 2
Решение системы (7) приводится в диссертации.
Дальнейшие исследования выявили зависимости концентрации примеси в каждом из резервуаров от степеней фильтраций протоков, соединяющих данные водные бассейны в течение определенного периода времени. Для наглядности в ходе
расчетных операций были построены графики временной динамики концентрации
примеси в трех водоемах во время и после завершения сброса при различных коэффициентах фильтраций. Анализ данных графиков, представленных в диссертации,
позволил сделать следующие выводы: 1) на временную динамику фильтрация
большого влияния не оказывает; 2) основное влияние фильтрации проявляется в изменении максимальной концентрации примеси в водоемах 2 и 3; 3) релаксация замедляется с увеличением степени фильтрации; 4) в зависимости от степеней филь12
траций максимальные значения концентраций могут наблюдаться либо в резервуаре 2, либо в третьем резервуаре.
Проведены численные эксперименты при различных продолжительностях
сброса и наборах коэффициентов фильтраций для изучения времени релаксации загрязнений в системе водных резервуаров. Выявлено, что времена релаксации в первом и во втором резервуарах не зависят от продолжительности сброса при любых
наборах фильтрации, но при этом эта зависимость проявляется в третьем резервуаре. Особенности зависимости времени релаксации загрязнений в третьем резервуаре
объясняются расположением данного объекта в системе сообщающихся водных
бассейнов. Установлено, что картина загрязнения во многом зависит от топологии
сети водных потоков.
Численный эксперимент подтвердил хорошие адаптационные возможности разработанной модели, позволяющей проследить временную динамику загрязнений,
как на стадии сброса, так и на стадии релаксации. Поэтому данную методику можно
рекомендовать анализа динамики загрязнений и обоснованного прогноза экологического состояния среды в зонах промышленных предприятий.
В пятом разделе освещены вопросы практического примения исследований,
представленных в данной работе. В частности, описывается разработанный в среде
DELPHI комплекс программ для проведения вычислительных операций по методике, представленной в третьем разделе. Данная программа зарегистрирована как объект интеллектуальной собственности в Комитете по правам интеллектуальной собственности Министерства юстиции Республики Казахстан за № 290 от 14 апреля
2009 г.
На базе дочернего государственного предприятия «Республиканский научноисследовательский центр по проблемам безопасности в химической, нефтехимической,
нефтегазоперерабатывающей,
микробиологической,
химикофармацевтической и пищевой промышленности» (ДГП «РНИЦБХП») в рамках
программы «Мониторинг, моделирование и прогнозирование катастроф и аварий
техногенного характера в химической, нефтехимической и нефтеперерабатывающей
промышленности» по разделу «Компьютерный и математический анализ данных по
катастрофам и авариям техногенного характера в химических, нефтехимических и
нефтеперерабатывающих промышленностях РК» была проведена научно – исследовательская работа по разработке методики расчета распространения загрязнений в
водном объекте с использованием программного комплекса. Результаты данной работы обсуждены и рекомендованы к внедрению на ДГП «РНИЦБХП». В диссертации прилагается акт внедрения использования этой методики.
Для оценки распространения промышленных сбросов в системе сообщающихся
водоемов был также разработан и внедрен в рамках ранее упоминавшейся научной
программы программный комплекс. На данный программный комплекс получено
свидетельство о государственной регистрации за № 287 от 14 апреля 2009 г. Применение данной разработки подтверждается актом внедрения.
Для апробации методики, описанной в разделе 3, были проведены опытно –
промышленные испытания. Совместно с испытательной лабораторией отдела лабораторно - аналитического контроля при комитете экологического регулирования и
контроля Шу-Таласского департамента экологии проводились исследования с целью
13
анализа сбрасываемых ингредиентов в Акдалинский пруд-испаритель. Наблюдения
велись на протяжении трех месяцев: в июле, августе, сентябре 2008 года.
В процессе наблюдения оценивалось содержание нитратов, сульфатов, хлоридов, характерных для сточных вод, поступающих с ТОО «ПетроКазахстанОйлПродактс».
Сопоставление результатов, полученных по методике расчета распространения
загрязнений в водном объекте, с данными экспериментальных исследований в Акдалинском пруду -испарителе за период 1.07.08-30.09.08 г.г. приводится в диссертации.
Проведенные опытно-промышленные испытания по оценке сточных вод, поступающих в Акдалинский пруд –испаритель с применением методики, представленной в третьем разделе, подтвердили ее адекватность и возможность ее использования в реальных условиях. Результаты исследований подтверждены актом опытнопромышленных испытаний.
Известно, что производство тепловой и электрической энергии сопровождается
использованием большого объема пресной воды и сбросом сточных вод, способствующих ухудшению качественного состояния водных объектов. В связи с этим,
методика, изложенная в третьем разделе была рекомендована для анализа последствий в случае аварийного сброса на предприятии АО «3-Энергоорталық». В диссертации прилагается акт передачи разработанной методики расчета распространения загрязнений в водном объекте АО «3-Энергоорталық».
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Краткие выводы по результатам диссертационных исследований.
1. Разработана методология оценки релаксационного воздействия залповых сбросов
загрязняющих веществ на экологическое состояние системы водных резервуаров.
2. Разработаны математические модели, описывающие распространение объемных
и поверхностных загрязнений в различных типах водных резервуарах в результате
аварийных сбросов.
3. В рамках программы «Мониторинг, моделирование и прогнозирование катастроф и аварий техногенного характера в химической, нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности» созданы и внедрены программные комплексы:
для расчета распространения промышленных сбросов в системе сообщающихся водоемов и трехмерного моделирования распространения загрязнений в водном объекте.
4. В результате анализа экологического состояния рек: Сырдарья, Арысь, Келес, Бадам, Ленгерсай, Кошкар-ата, Сайрам Су и Шардаринского водохранилища разработаны трендовые модели, используемые для прогнозных оценок ИЗВ на 2009-2010г.г.
5. На основании разработанной методики расчета распространения загрязнений в
водном объекте с использованием данных опытно-промышленных испытаний, получена оценка релаксационного воздействия сточных вод, сбрасываемых в Акдалинский пруд-испаритель.
Оценка полноты решений поставленных задач. В результате комплекса проведенных теоретических и экспериментальных исследований получены результаты,
которые можно использовать для создания научно обоснованных методов расчета
распространения загрязнений в водном объекте и систем водных резервуаров, в за14
висимости от топологии сети водных потоков. Цель работы достигнута, решены поставленные в работе задачи. Подтверждена адекватность математической модели
распространения загрязнения путем проведения опытно-промышленных испытаний
в Акдалинском пруде-испарителе.
Разработка рекомендаций исходных данных по конкретному использованию результатов. Результаты диссертационной работы могут найти применение в
исследованиях по оценке влияния техногенных сбросов на водные объекты. Кроме
того, результаты диссертации могут применяться контролирующими органами для
оценки степени загрязненности и возможных последствиях аварийных сбросов в
водную среду. Предложены рекомендации для анализа последствий в случае аварийного сброса (на примере предприятия АО «3-Энергоорталық»).
Оценка технико-экономической эффективности внедрения и уровня выполненной работы в сравнении с лучшими достижениями в данной области. Результаты, полученные в диссертации, имеют практическое значение в экологическом и экономическом отношениях. Решение проблемы оценки загрязнения водных
систем позволяет рассчитывать экономический ущерб, нанесенный от данного типа
загрязнения.
Анализ литературных источников показывает, что результаты диссертационных
исследований обладают научной новизной и являются конкурентоспособными в
сравнении с лучшими достижениями в данной области.
СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
1
Шакиров Б.С., Куракбаева С.Д. Основные задачи и особенности математического моделирования катастрофических явлений в экологии // Наука и образование
Южного Казахстана. –2006. - №3 (52). – С. 74-77.
2
Шакиров Б.С., Куракбаева С.Д. Математические модели динамики
загрязнений проточного резервуара // Поиск. – 2006. - №4.- С.147-151.
3
Шакиров Б.С., Куракбаева С.Д. Мониторинг экологического состояния
основных рек ЮКО // Труды международной научной конференции «Актуальные
проблемы образования, науки и производства» – Шымкент, 2007. - С.28-31.
4
Шакиров Б.С., Куракбаева С.Д. Моделирование распространения промышленных выбросов в системе сообщающихся водоемов // Доклады НАН РК. - 2007. -№2.
- С. 57 – 60.
5
Шакиров Б.С., Куракбаева С.Д. Моделирование распространения
промышленных выбросов в системе водных резервуаров с учетом фильтрации в
грунте // Наука и образование Южного Казахстана. –2007. - №4 (63). – С. 111-115.
6
Куракбаева С.Д. Комплекс программ в среде Delphi для анализа концентраций
токсичных примесей в системе сообщающихся водоемов // Проблемы информатики
и энергетики. - Ташкент, 2007. -№5-6. - С. 74-78.
7
Куракбаева С.Д. Методика расчета распространения загрязнений в водном
объекте // Сборник статей XIV международной научно-практической конференции
«Экология и жизнь». – Пенза, 2008. - С.168-171.
8
Куракбаева С.Д. Моделирование распространения промышленных выбросов и
релаксации загрязнений в системе водных резервуаров // Поиск - 2008. -№1.- С. 112116.
15
9
Шакиров Б.С., Куракбаева С.Д. Моделирование распространения загрязнений
в системе водных резервуаров // Труды международной научной конференции
«Актуальные проблемы науки и образования в современных условиях». – Шымкент,
2008. - С.162-165.
10
Куракбаева С.Д. Трехмерное моделирование распространения загрязнений в
водном объекте // Материалы международной научно-практической конференции
«Основные проблемы и перспективные направления развития научных исследовании 2008». – Алматы, 2008.- С. 72-75.
11
Шакиров Б.С.,
Куракбаева С.Д., Куракбаев Д.С. Создание комплекса
программ для расчета распространения загрязнений в водном объекте в среде
DELPHI // Труды международной научно-практической конференции «Химия в
строительных материалах и материаловедение в XXI веке». – Шымкент, 2008. С.318 – 321.
12
Куракбаева С.Д. Оценка воздействия предприятий теплоэнергетического комплекса на водные источники // Наука и образование Южного Казахстана. –2008. №4 (69). – С. 74-78.
13
Шакиров Б.С., Шарафиев А. Ш., Куракбаева С.Д. Программа для расчета распространения промышленных сбросов в системе сообщающихся водоемов // Программа для ЭВМ. Свидетельство о государственной регистрации объекта интеллектуальной собственности. 2009. № 287.
14
Шакиров Б.С., Куракбаева С.Д. Трехмерное моделирование распространения
загрязнений в водном объекте // Программа для ЭВМ. Свидетельство о государственной регистрации объекта интеллектуальной собственности. 2009. № 290.
16
Құрақбаева Севара Жұмағалиқызы
Су нысаналарына техногендік тастандылардың
релаксациялық әсерін бағалау
25.00.36 – Геоэкология
техника ғылымдарының кандидаты ғылыми дәрежесін алу үшін дайындалған
диссертацияның
ТҮЙІНІ
Зерттеу нысанасы жеке алынған су нысанасында және су нысаналарының
жүйесінде ласты заттардың тастандыларының таралуын қарастыру үшін
математикалық моделдеу әдістерін қолданып зерттелетін сулы орта болып
табылады. Дәлірек айтқанда, Сырдарья, Арыс, Келес, Бадам, Ленгерсай, Қошқар ата,
Сайрам су өзендерінің және Шардара су қоймасының суларының ластану дәрежесі
зерттелген. Осылармен бір қатарда, сулы нысанада ластанудың таралу моделін
сынау үшін Ақдала булану – тоғаны таңдап алынды.
Жұмыстың мақсаты – сулы нысаналарда ласты тастандылардың таралуын
есептеу методологиясын жасау және осы тастандылардың әсерін бағалау.
Жұмысты жүргізу әдісі. Жұмыста салыстыру және талдау үшін
басылымдардағы әдебиеттерге сәйкес эксперименталды материал кеңінен
қолданылды. Осымен бір қатарда, жұмыстың эксперименталды бөлімін сипаттау
үшін Шу – Талас экологиялық департаментінің экологиялық реттеу және бақылау
комитетіне қарасты лабораториялық-аналитикалық бақылау бөлімімен біргелікте
өткізілген өндірістік сынау нәтижесінде алынған мәліметтер қолданылды.
Лабораториялық жағдайларда сынау нәтижелерін талдау қалыптасқан ережелер мен
нормаларға сәйкес, қазіргі заманға лайық құралдар мен әдістемелерді пайдаланып
өткізілді.
Жұмыс нәтижелері. Сулы ортада ласты заттардың таралу процесстерін
сипаттайтын техногендік тастандылардың су нысаналарына релаксациялық әсерін
бағалау үшін ғылыми негізделген бағыттар көрсетілген және олардың кейінгі
жағдайларына болжау жасалған.
Енгізу деңгейі. “Химия, мұнай-химия және мұнай өңдеу өнеркәсіптерінде
техногендік сипаттағы апаттар мен аварияларды мониторинг жасау, моделдеу және
болжау” бағдарламасы негізінде авариялық тастандылар нәтижесінде түрлі типтегі
су қорларында ластанудың таралуын сипаттайтын математикалық моделдер
құрылған және олар өндіріске енгізілген.
Енгізу бойынша ұсыныстар немесе ҒЗЖ енгізу қорытындылары.
Жұмыстың негізгі нәтижелерін жабық су нысаналарында ласты заттардың таралу
процесстерін қарастыру үшін пайдалану орынды болып табылады. Құрылған
математикалық моделдер Қазақстан Республикасының төтенше жағдайлар
Министрлігі “Өнеркәсіп қауіпсіздігі жөніндегі Ұлттық ғылыми-зерттеу
орталығында” Республикалық мемлекеттік кәсіпорнының “Химия, мұнай-химия,
мұнайгазөңдеу,
микробиология,
химия-фармацевтикалық
және
тамақ
17
өнеркәсіптеріндегі қауіпсіздік проблемалары жөніндегі Республикалық ғылымизерттеу орталығында” еншілес мемлекеттік кәсіпорнында (“ХӨҚРҒЗО” ЕМК)
өндіріске енгізілген.
Қолдану саласы. Диссертацияда ұсынылған моделдер мен теориялық
бағыттарды жоғарғы оқу орындарында “Экологияда математикалық моделдеу
негіздері” арнайы курсы бойынша оқу сабақтарын өткізуде пайдалану мүмкін. ОҚО
өзендерінің ластану жағдайы бойынша мониторинг материалдары аймақтың су және
экожүйесінің бейнесін толық қалыптастырып, су инспекциялары мен су
мәселелерімен шұғылданушы ғылыми-зерттеу орталықтарын ластанудың дәрежесі
туралы жедел ақпараттармен қамтамасыз етеді. Жұмыста қарастырылған есептеу
әдістері су нысаналарында ластанудың таралуын есептеуге мүмкіндік береді.
Берілген методологияны қолдану тастандыларды шығару барысында және одан
кейінгі уақытта өндірістік кәсіпорындарының сарқынды суларының су көздеріне
келтіретін зиянын бағалауға мүмкіндік береді.
Жұмыстың экономикалық тиімділігі және маңыздылығы. Жұмыс
нәтижелері техногендік әсер нәтижесінде нақты су нысаналарында ластануды
бағалауға және Қазақстан Республикасының өнеркәсібінің түрлі салаларында
техногендік сипаттағы авариялық тастандылардың салдарын мониторинг жасауда,
моделдеу және болжауда қолдануға мүмкіндік береді. Дәлірек айтқанда, “ЗЭнергоорталық” АҚ кәсіпорнында авариялық тастандылардың салдарын талдау
үшін ұсыныстар берілді. Диссертациялық жұмыстың нәтижелері “Химия, мұнайхимия және мұнай өңдеу өнеркәсіптерінде техногендік сипаттағы апаттар мен
аварияларды мониторинг жасау, моделдеу және болжау” бағдарламасының “ҚР-ның
химия, мұнай-химия және мұнай өңдеу өнеркәсіптерінде техногендік сипаттағы
апаттар мен авариялар туралы мәліметтерді компьютерлік және математикалық
талдау” бөлімінде қолданылды. Өндіріске енгізуден күтілетін экономикалық
тиімділік 1545 мың теңгені құрайды.
Нәтижелердің практикадағы қолданылуы. Бағдарламалау кешенін
пайдаланып су нысанасында ластанудың таралуын есептеу әдістемесі және “Су
қорлары жүйесінде өндірістік тастандылардың таралуын және ластану
релаксациясын моделдеу” ғылыми зерттемесі “ХӨҚРҒЗО” ЕМ кәсіпорнына берілді
және өндірістік кәсіпорындар аймағында ластану динамикасы мен ортаның
экологиялық жағдайының негізделген болжауын талдау үшін ұсыныстар жасалды.
Су нысанасында ластанудың таралуы әдістемесін сынау үшін 2008 жылдың үш айы
бойы Ақдала булану-тоғанына келіп түсетін сарқынды суды бағалау бойынша
өндірістік бақылаулар жүргізілді. Бақылау нәтижелері сулы ортада өндірістік
тастандылардың таралуын моделдеу және мониторинг жасау процессінде жоғарыда
көрсетілген әдістемені қолдану орынды екенін растады. “3-Энергоорталық” АҚ-да
сарқынды сулардың зияндығын жоюды
ұйымдастыру бойынша ұсыныстар
жасалды. Ғылыми жұмыста алынған нәтижелер су жүйелеріне сарқынды суларды
жіберетін өндірістік кәсіпорындарға практикалық қолдану үшін ұсынылады.
18
SUMMARY
Kurakbayeva Sevara Jumagaliyevna
Evaluation of relaxation influence of technogenic discharges on water objects
Dissertation for the degree of a candidate of technical science
25.00.36 – Geoecology
Object of research is water pollution, studied with application of the methods of
mathematical modeling for investigating distribution of discharge of contaminating materials in water objects. Particularly, surface of river water was investigated, namely: Syrdaria, Arys, Keles, Badam, Lengersay, Koshkar-Ata, Sairam-Su and the reservoir Shardara.
Along with this, the Akdalinsky pool-evaporator was tested in respect to contaminants distribution in a water body.
The goal of the work is to elaborate methodology of contaminating discharge distribution in water bodies, and to evaluate the relaxation effect of the discharge.
Method of the research. During the work extensive experimental data were used for
comparison and analysis, those that were available in a form of on-line and printed editions. In addition to that, while featuring the experimental part of the work reliable information was received in the course of joint experimental-industrial testing made together
with the division of laboratory analytical control attached the Shu-Talas environment department. Sample analysis by using modern instruments and methodologies in compliance
with established regulations and standards was conducted in laboratory.
The main results of the work. Scientifically substantiated approaches for the evaluation of relaxation influence of anthropogenic discharge on water bodies, describing contaminants distribution processes in water, as well as further prediction of their state were
elaborated.
Extent of introduction. Within the framework of the program “Monitoring, modeling and prediction of disasters and accidents of technogenic character in chemical, petrochemical and petroleum refining industry” mathematical models describing waste distribution into the volume and over the surface of water reservoirs of different types were created and introduced.
Recommendations for introduction or the results of scientific-research work implementation. Application of main results of the work is advisable in the course of studying the processes of contaminants distribution in closed water bodies. Elaborated mathematical models were implemented in Affiliated State Establishment “Republic ScienceResearch Center for Safety problems in Chemical, petrochemical, petroleum refining, microbiological, chemical pharmaceutical and food Industries”, ASE “RSRCSChI” attached
the “Republican State Enterprise “National Science-Research Center for safety industrial
problems” under the Ministry of Emergency Situations of the Republic of Kazakhstan,
RSE NSRC MES RK.
Sphere of application. Models and theoretical approaches proposed in the thesis may
be used during trainings on special course “Foundations of mathematical modeling in the
ecology” in higher education establishments. Monitoring data on surface rivers conditions
19
SKO comprise an integral image of water environmental system of a region, which gives
a possibility to provide operative information about the extent of water contamination to
water inspections and science-research centers engaged in water problems. Methods of
calculation used in the work allow for determining contaminations distribution in water
bodies. By introduction of this methodology it is easy to evaluate the damage inflicted by
waste of industrial enterprises to the water bodies, both during the discharge and after it
happened.
Economic effect or work significance. Work outcomes give an opportunity to evaluate contamination of really existing water bodies caused by of anthropogenic influence,
and may be applicable in the processes of monitoring, modeling and predicting of the impacts of emergency discharges of anthropogenic character in various branches of Kazakhstan industry. In particular, the recommendations for analyzing the impacts in case of
emergency discharge from the “3-Energoortalyk” JSC have been given. Thesis outcomes
were applied during the elaboration of the program “Monitoring, modeling and prediction
of disasters and accidents of anthropogenic character in chemical, petrochemical and petroleum refining industries” on the section “Computer and mathematical analysis of the
data concerning disasters and accidents of anthropogenic character in chemical, petrochemical and petroleum refining industries of RK”. Expected economic effect is 1,545
thousand Kzt.
The practical application of the results. The paper on computation methodology of
discharge distribution in a water body with using the software package, as well as scienceresearch paper entitled “Modeling of distribution of industrial discharges and relaxation of
contaminations in the system of water reservoir” were passed to ASE “RSRCSChI” and
RSE NSRC MES RK, and recommended for the analysis of the dynamics of contaminations and grounded prediction of ecological state of the environment in the areas of industrial enterprises location. Aiming to approbate the methodic of contaminants distribution in
a water body, during three months of 2008 experimental-industrial testing on the evaluation of wastewaters running into the Akdalinsky pool-evaporator were conducted. Testing
results confirmed expedience of the latter methodic using during the process of modeling
and monitoring of industrial discharge distribution into the water. Besides, the recommendations for sewage sanitation in the “3-Energoortalyk” JSC were drafted. Obtained results
of a scientific work are recommended for practical application in industrial enterprises
dumping discharge sewage into water systems.
Подписано к печати 22.01.10 Формат 60×84 1/16
Бумага типографическая. Печать офсетная. Объем 1, 25 п.л.
Тираж 100 экз. Заказ № 1634
Издательский Центр ЮКГУ им. М.Ауезова,
г. Шымкент, пр. Тауке Хана, 5.
20