Размещено на http://www.allbest.ru/

ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ И КОМПЛЕКСНОЕ ОБУСТРОЙСТВО ВОДОСБОРА Р. ТАНАЛЫК РЕСПУБЛИКИ БАШКОРТОСТАН

Специальность 06.01.02 - Мелиорация, рекультивация и охрана земель

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

КУТЛИЯРОВ ДАМИР НАИЛЕВИЧ

Москва 2009

Работа выполнена на кафедре природообустройства, строительства и гидравлики ФГОУ ВПО «Башкирский государственный аграрный университет»

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Хафизов Айрат Райсович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Исаева София Давидовна

кандидат технических наук, доцент Корнеев Илья Викторович

Ведущая организация: ГУП Управление «Башмелиоводхоз»

Защита состоится «21» апреля 2009 г. в 15 часов в ауд. 201/1 на заседании совета Д 220.045.01 при Московском государственном университете природообустройства по адресу: 127550, Москва, ул. Прянишникова, д. 19, тел./факс: 8 (495) 976-10-46.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного университета природообустройства.

Автореферат разослан и размещен на сайте МГУП «20» марта 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного

совета, к.т.н. Т.И. Сурикова

Общая характеристика работы

Актуальность темы. В настоящее время развитие народного хозяйства характеризуется прогрессивным вовлечением и освоением ресурсного потенциала природных ландшафтов, современные темпы использования которого в значительной степени усиливают антропогенное воздействие на природную среду. Существенное влияние на формирование экологической среды природных ландшафтов оказывают сельское хозяйство, водохозяйственное и мелиоративное строительство, добыча полезных ископаемых.

Наряду с достижением определенного положительного эффекта хозяйственная деятельность человека сопровождается неизбежным комплексом негативных экологических последствий и приводит к осложнению экологической ситуации различных природных систем. Наиболее ярким примером такой сложной системы является водосбор реки.

Недостаточность знаний о закономерностях взаимодействия природных и антропогенных факторов, о процессах, развивающихся в природной среде при комплексном обустройстве водосборов, является одним из препятствий на пути к созданию экологически устойчивых и экономически эффективных систем функционирования водосборов.

Научный интерес к оценке экологического состояния водосборов рек и проблеме их комплексного обустройства возник сравнительно недавно. Это объясняется повышением в современных условиях антропогенной нагрузки на водосборы, необходимостью оценки степени воздействия таких нагрузок на экологическую устойчивость водосборов и возникновением проблемы обеспечения устойчивого функционирования водосборов.

В основе научных исследований и решений поставленной проблемы лежат труды Л.С. Берга, В.И. Вернадского, В.В. Докучаева, А.Н. Костякова, А.В. Ковды, Б.Б. Полынова, И.Р. Пригожина, а также И.П. Айдарова, А.И. Голованова, С.Д. Исаевой, Л.В. Кирейчевой, В.Н. Краснощекова, Д.А. Манукьяна, Б.С. Маслова, Н.И. Парфеновой, В.В. Пчелкина, Л.М. Рекса, Н.Ф. Реймерса, Н.М. Решеткиной, В.И. Сметанина, В.В. Шабанова и др.

Вопросам обустройства водосборов рек и мелиорации земель Республики Башкортостан посвящены труды Р.Ф. Абдрахманова, Б.Н. Батанова, И.М. Габбасовой, А.М. Гареева, А.В. Комиссарова, Х.М. Сафина, А.Р. Хафизова и др.

Однако, труды отечественных и зарубежных учёных свидетельствуют о необходимости дальнейшего развития научного обоснования мероприятий комплексного обустройства водосборов. Расширение предметной области исследований обеспечивает повышение надежности научного обоснования комплексного обустройства интенсивно освоенных водосборов и обеспечение их устойчивого функционирования.

Одним из интенсивно осваиваемых водосборов Республики Башкортостан (РБ) является водосбор р. Таналык, расположенный в степной зоне Башкирского Зауралья. По ландшафтным признакам водосбор относится к ландшафтной стране Б (уральские горы и плоскогорья с высотными - поясными и зональными ландшафтами умеренного климата); горно-степной области; Зауральской типично степной мелкосопочно-плоскогорной провинции. Природные ландшафты водосбора испытывают воздействие человека уже на протяжении длительного времени. Особенно сильные изменения произошли за последние 50 лет: продолжается интенсивное сельскохозяйственное освоение территории, увеличиваются объемы добычи полезных ископаемых и их переработки. Ситуация, сложившаяся в результате такого интенсивного антропогенного вмешательства, вызывает ответную реакцию со стороны естественных ландшафтов водосбора.

Актуальность проведенных исследований обусловлена необходимостью обоснования мелиоративных мероприятий и развития научных представлений в этой области.

Комплексный подход к обоснованию необходимости обустройства и мелиорации водосбора р. Таналык в настоящей работе является логическим развитием адаптивно-ландшафтного подхода к созданию высокопродуктивных и устойчивых агроландшафтов.

Основным методом изучения таких природно-техногенных систем, как водосборы является моделирование. Взаимосвязанные природно-техногенные объекты представляют собой многоуровневую систему подобъектов, имеющих свои собственные атрибуты. Набор средств для решения задач, связанных с изучением местности водосбора и представлением набора информации, наиболее полно реализован в рамках геоинформационных систем (ГИС).

Цель и задачи исследований.

Цель исследований - оценить экологическое состояние, разработать модель устойчивого функционирования водосбора р. Таналык и дать рекомендации для комплексного обустройства водосбора.

Для реализации цели были поставлены следующие задачи:

1) дать оценку современного состояния природной среды водосбора р. Таналык и обосновать необходимость его комплексного обустройства;

2) разработать модель устойчивого функционирования водосбора и выделить основные критерии экологической устойчивости его территории;

3) разработать расчетную методику прогноза химического состава воды водохранилищ изучаемого водосбора;

4) на основе теоретических и экспериментальных исследований оценить опасность и риск развития аварийных ситуаций на ГТС водохранилищ водосбора р. Таналык;

5) разработать информационную модель водосбора, используя геоинформационные системы (ГИС);

6) разработать практические рекомендации по комплексному обустройству водосбора р. Таналык.

Объектом исследования является водосбор р. Таналык.

Методология и методика исследований. Методологической основой исследований являются геосистемный и статистический подходы, базирующиеся на методах моделирования, статистики, регрессионного анализа и теории вероятности. Для статистической обработки данных натурных исследований использованы пакет анализа данных Excel и система обработки данных STATISTICA.

Научная новизна:

- впервые проведена комплексная оценка современного состояния водосбора р. Таналык и разработана методика комплексного обустройства с учетом оценки устойчивости водосбора;

- разработана модель устойчивого функционирования водосбора р. Таналык и обоснованы пути обустройства водосбора;

- предложена расчетная методика прогноза химического состава воды водохранилищ для условий степной зоны Башкирского Зауралья;

- проведены экспериментальные исследования фильтрационного состояния грунтовых плотин водохранилищ водосбора р. Таналык и предложена зависимость для расчета фильтрации плотин для степной зоны, на основе комплексного подхода оценены опасность и риск возникновения аварий на ГТС водохранилищ;

- разработана информационная модель водосбора с использованием
ГИС - технологий;

- разработаны рекомендации по комплексному обустройству водосбора р. Таналык.

Практическая значимость.

Полученные результаты дают достоверное представление о структуре и современном состоянии ландшафтов водосбора р. Таналык, позволяют обеспечить устойчивое функционирование водосбора и могут быть учтены при оптимизации технологии использования природных ресурсов территории. Модель «ГИС - водосбор р. Таналык», интегрирующая большой объем данных о водосборе, является составной частью информационного обеспечения управления и охраны природных ресурсов, а также служит для оперативного и качественного представления информации при обустройстве водосбора р. Таналык.

Основные результаты исследования использованы:

- для разработки рекомендаций при прогнозе качества воды Акъярского Бузавлыкского водохранилищ, при гидрогеолого-мелиоративной оценке состояния лиманов Маканской оросительной системы;

- при разработке проектов и деклараций безопасности водохранилищ степной зоны Башкирского Зауралья;

- в учебном процессе ФГОУ ВПО «БГАУ» при проведении автором занятий по дисциплинам «Природоохранные сооружения», «Комплексное использование и охрана водных ресурсов», «Природно-техногенные комплексы», «Основы комплексного природопользования».

Полученные в процессе исследования результаты приняты к внедрению в ОАО ПИИ «Башгипроводхоз» и ГУП Управление «Башмелиоводхоз».

Материалы ГИС могут быть использованы для дальнейшей планировки и обустройства региона.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных научно-практических конференциях «Пути повышения эффективности АПК в условиях вступления России в ВТО» (Уфа, 2003 г.), «Природообустройство и рациональное природопользование - необходимые условия социально-экономического развития России» (Москва, 2005 г.), «Природоресурсный потенциал, экология и устойчивое развитие регионов России» (Пенза, 2006 г.), «Роль природообустройства в обеспечении устойчивого функционирования и развития экосистем» (Москва, 2006 г.), «Аграрная наука - сельскому хозяйству» (Барнаул, 2008 г.), на Всероссийской конференции молодых ученых «Экономические, правовые, технические и экологические аспекты землеустройства и земельного кадастра»» (Москва, 2004 г.), на Всероссийском научно-техническом семинаре «Экологическая безопасность регионов России и риск от техногенных аварий и катастроф» (Пенза, 2005 г.), на Всероссийской научно-практической конференции «Уралэкология. Природные ресурсы - 2005» (Уфа-Москва, 2005 г.), на Республиканской научно-практической конференции «90 лет мелиорации земель в Республике Башкортостан» (Уфа, 2004 г.), на Межрегиональной научно-практической конференции «Чистая вода Башкортостана-2008» (Уфа, 2008 г.), на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Башкирского государственного аграрного университета в 2003-2008 гг.

Публикации.

По результатам исследований опубликовано 31 печатная работа общим объемом 7 п.л., в т.ч. 4 в журналах, включенных в список ВАК («Мелиорация и водное хозяйство», «Достижения науки и техники АПК», «Землеустройство, кадастр и мониторинг земель»).

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, выводов и предложений, списка литературы. Работа изложена на 175 страницах машинописного текста, содержит 18 таблиц, 35 рисунков. Библиографический список включает 245 наименований.

водосбор таналык экологический обустройство

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования, представлены выносимые на защиту основные положения, их научная новизна и практическая ценность.

В первой главе «Анализ современного состояния водосбора р. Таналык Республики Башкортостан» проведен анализ изученности комплексного обустройства водосборов рек, анализ современного состояния природных условий исследуемого объекта.

Основные цели и функции обустройства речных водосборов разработаны А.И. Головановым, В.В. Шабановым и др. Согласно их концепции, водосборы рассматриваются как особым образом объединенные по принципу единства гидрогеохимических потоков геосистемы, выполняющие важные средообразующие или экологические функции и являющиеся пространственным базисом для природопользования.

Окружающая среда водосбора р. Таналык является весьма сложной с экологической точки зрения, легко ранимой для антропогенного воздействия системой, изучение которой требует соответствующего комплексного подхода как направления совершенствования научного познания.

Водосбор р. Таналык характеризуется следующими данными:

- водосбор р. Таналык относится к засушливой зоне, где среднемесячные расходы в реках в меженные периоды - менее 1 м³/сек, при густоте речной сети 0,24 км/км²;

- более 55% площади сельхозугодий водосбора подвержены эрозионным процессам, а 25% являются потенциально эрозионно-опасными;

- 542,43 км² пашни подвержены интенсивной ветровой и относительно слабой водной эрозии;

- почвы в основном представлены маломощными разновидностями малогумусных черноземов;

- имеющиеся черноземные почвы чрезмерно распаханы и подвергаются интенсивной обработке, являющейся причиной иссушения степных ландшафтов;

- на территории водосбора практически отсутствует лес (<1%);

- основными загрязнителями окружающей среды водосбора являются предприятия аграрного производства, стоки коммунально-бытовых, добывающих и перерабатывающих предприятий.

В процессе исследования изучен опыт зарубежных стран. За рубежом проекты по обустройству водосборов представлены в виде землеустроительной и природоохранной документации, разрабатываемой на определенную эколого-ландшафтную структуру. Задачами таких мероприятий в Германии, Австрии, Венгрии и др. странах является выбор оптимальных видов землепользований, рационального состава угодий и посевов на основе требований агроэкологии с размещением экологических коридоров, микрозаповедников и других элементов экологической инфраструктуры.

Во второй главе «Теоретические предпосылки комплексного обустройства (мелиорации) водосбора р. Таналык» определена необходимость комплексного обустройства (мелиорации) водосбора р. Таналык, разработана и исследована модель устойчивого функционирования водосбора р. Таналык.

Суть моделирования состоит во всестороннем анализе, обосновании и достоверном использовании принятых решений в отношении техногенных объектов с учетом стабильного состояния природных объектов водосбора.

Водосбор р. Таналык (рис.1) рассматривается как единая геоэкологическая система.

Суть комплексного обустройства водосбора состоит в целостном восприятии его природных комплексов как сложной саморегулирующей системы.

Водосбор р. Таналык представляет собой относительно замкнутое природное образование со своими естественными границами. Площадь водосбора составляет 4160 км². Природный ландшафт водосбора является производной геоэкологического взаимодействия отдельных его составляющих. Обозначив интегральную характеристику элементарного природного ландшафта через е_p, а комплексные характеристики локального состояния сред через е_i, механизм структурного образования ландшафта (водосбора) можно выразить полным дифференциалом функции _v(t):

. (1)

Как в любой открытой системе, внутри водосбора идет единый интегральный, взаимосвязанный процесс обмена потоков вещества, энергии и информации, который обусловливает эволюцию природных систем и функционирование техно - природных систем.

Рис. 1 Схема водосбора р. Таналык

Анализ литературных данных и материалов собственных исследований позволил сформулировать и разработать обобщенную модель устойчивого функционирования водосбора р. Таналык (рис. 2). Модель позволяет обосновать комплекс мероприятий по снижению негативных последствий антропогенной деятельности.

Основной целью разработки модели является выявление элементов мелиоративных систем, с помощью которых представляется возможным повысить экологическую устойчивость (стабильность) функционирования водосбора.

Модель состоит из трёх основных и взаимосвязанных подсистем:

- природная подсистема, состоящая из биотических и абиотических компонентов системы;

- антропогенная подсистема, состоящая из мелиоративной и техногенной подсистемы.

- управленческая подсистема, которая состоит из блока информации и лица, принимающего решения в системе управления; принятие решений

Рис. 2 Обобщенная модель устойчивого функционирования водосбора р. Таналык

поддерживается использованием экспертных систем, баз данных, систем мониторинга, которые позволяют реализовывать принцип адекватности воздействий и предсказуемости.

Для обеспечения устойчивого функционирования водосбора управленческая подсистема ставит и оперативно решает задачи: анализ состояния водосбора, проведение прогнозных исследований, оценка риска аварий (сценарные исследования), разработка модели «ГИС-водосбор р. Таналык».

Экологическая устойчивость водосбора оценивается коэффициентом экологической устойчивости техноприродных систем на водосборах (А.И. Голованов).

. (2)

где F - площадь водосбора; f_i - площадь i-го угодья; - коэффициент стабильности; - коэффициент, учитывающий геолого-морфологическую устойчивость рельефа.

Расчеты показали, что для водосбора р. Таналык коэффициент составляет 0,23 и по принятой классификации оценивается как «очень низкий», что соответствует неудовлетворительному экологическому состоянию.

Учитывая сложные экологические условия водосбора р. Таналык, критерий устойчивого функционирования водосбора К_с принят равным 0,34, т.е. ставится задача повысить коэффициент экологической устойчивости до уровня «низкой степени» экологической устойчивости.

Модель «ГИС- водосбор р. Таналык» обеспечивает сбор, обработку, отображение пространственно-координированных данных, интеграцию данных о территории водосбора для их эффективного использования при решении научных и прикладных географических задач, связанных с инвентаризацией, анализом, моделированием, прогнозированием и управлением состоянием водосбора р. Таналык.

Управление моделью осуществляется через мелиоративную подсистему. Мелиоративные мероприятия на водосборе в первую очередь оптимизируют тепло- и влагообеспеченность, устраняют кислотность, засоленность, осолонцованность, загрязненность почв, смягчают антропогенные техногенные воздействия на агроландшафт водосбора, повышают его экологическую устойчивость, улучшают экологические показатели биотических и абиотических компонентов водосбора, создают на сельхозугодиях требуемый мелиоративный режим, обеспечивающий оптимальные урожаи.

В работе представлен детальный анализ эрозионных процессов на исследуемом объекте и предложены мелиоративные мероприятия, улучшающие экологическое состояние территории рассматриваемого водосбора. Установлено, что с территории водосбора р. Таналык в процессе эрозии ежегодно смывается 49920 т почвы, более 3494 т гумуса, 175 т азота, 28 т фосфора, 75 т калия.

Указаны мероприятия для рекультивации техногенно нарушенных земель.

Согласно предложенной модели, обеспечить экологическую устойчивость водосбора можно различными мероприятиями по обустройству его территории. При оценке устойчивости водосбора р. Таналык основное внимание рекомендуется уделять мероприятиям с природоохранной направленностью. Для повышения экологической устойчивости рекомендованы следующие мероприятия (табл.1).

Таблица 1

Рекомендуемые мероприятия для повышения экологической устойчивости водосбора р. Таналык

Корректирующая (мелиоративная) подсистема	Корректируемая подсистема	Корректирующие мероприятия	Увеличение Кс
Организационно-хозяйственный	- Сельское хозяйство - добывающие и перерабатывающие предприятия;	Перевод деградированных распаханных земель в пастбища, рекультивация техногенно нарушенных земель	на 0,07
Агромелиоративный	- Сельское хозяйство	Приемы противоэрозионной обработки почв, снегозадержание и т.д.	на 0,04
Лесомелиоративный	- Населенные пункты; - добывающие и перерабатывающие предприятия; - водохранилища, пруды	Устройство буферных зон и развитие биокоридоров (особоохраняемые территории, водоохранные зоны, лесополосы, кустарниково-степные массивы)	на 0,03
Гидромелиоративный	- Сельское хозяйство; - водохранилища, пруды	Совершенствование технологии орошения (интенсивность дождевания 0,1-0,3 мм/мин), строительство мелиоративных (ирригационных) сооружений (лиманное орошение)	на 0,03

Предложенные группы мероприятий на водосборе р. Таналык позволяют повысить экологическую устойчивость водосбора - коэффициент экологической устойчивости водосбора (К_с = 0,36) становится больше критического значения.

В третьей главе «Анализ и методика прогноза химического состава воды водохранилищ водосбора р. Таналык» изучен макрокомпонентный состав поверхностных вод водосбора и предложена расчетная методика прогноза химического состава воды водохранилищ для условий водосбора р. Таналык.

Гидрохимический состав и режим поверхностных вод объекта исследования обусловлены:

- комплексом природных факторов (климатические условия, геоморфологическое и геологическое строение территории, характер почв и растительного покрова);

- комплексом антропогенных факторов (сельское хозяйство, добывающие и перерабатывающие предприятия).

Вода из р. Таналык используется для хозяйственно-бытовых нужд населения, для сельскохозяйственного водоснабжения, орошения, рекреации. Химический состав воды р. Таналык гидрокарбонатно-хлоридный сульфатный кальциево-магниевый с минерализацией 0,61 г/л.

Основной оросительной системой водосбора является Маканская система. Качественные свойства Маканской оросительной системы: вода ручья Татыр-Узяк имеет гидрокарбонатно-хлоридно-сульфатный магниево-натриево-кальциевый состав. Относится по Алекину к типу IIIа, рН 6,65. в солевом составе присутствуют Ca(HCO3)₂, CaSO₄, MgSO₄, MgCl₂, и NaCl. Анализ ирригационных свойств воды ручья свидетельствует в целом об удовлетворительном ее качестве.

Прогнозирование качества вод водохранилищ является важным элементом при анализе экологического состояния водосбора р. Таналык, т.к. качественный состав воды водохранилищ формируется главным образом под влиянием процессов, происходящих на водосборе. Водохранилище выступает в качестве индикатора (аккумулирование поступающих с водосборной территории загрязняющих веществ) экологического состояния водосбора.

В качестве основных характеристик химического состава воды водохранилищ исследуемого водосбора приняты ее минерализация, содержание биогенных элементов, состав ионов (НСО₃^?, SО₄^2?, Cl^?, Ca²⁺, Mg²⁺, Na⁺+K⁺), количество нефтепродуктов и тяжелых металлов.

В работе выбран аналитический метод прогнозирования, позволяющий исследовать трансформацию химического состава солей в водоеме за расчетный период времени (декада, месяц, сезон и т.д.) с учетом предусмотренных проектом водохранилища правил регулирования стока, что особенно важно для водохранилищ комплексного использования.

Основой аналитического метода является количественная оценка отдельных элементов приходной и расходной частей солевого баланса водохранилища.

Уравнение солевого баланса водохранилища имеет вид:

, (3)

где W_пр - объем притока воды с концентрацией солей м_пр; W_от - объем оттока с концентрацией солей м_от; V₁ - объемы аккумулируемой в водохранилище воды на начало расчетного интервала с минерализацией - м₁; V₂ - на конец расчетного интервала с минерализацией м₂, являющейся искомой величиной при прогнозировании качества воды водоема.

В уравнении (3) определение величины м_от в период наполнения водохранилища от V₁ до V₂ осложняется гидромеханическими явлениями, происходящими в водохранилище в момент сбросов.

Для определения м_от изучены существующие методы: Бочкова Н.М., Попова Г.И. и другие различные упрощенные расчетные схемы.

Указанные расчетные методы не учитывают величину объема воды, испарившейся за расчетный интервал времени из водохранилища W_исп.

Водохранилища изучаемого водосбора равнинного типа (h_ср<7,1м) расположены в степной засушливой зоне РБ, поэтому испарение оказывает влияние на концентрацию минерализации оттока м_от из водохранилища, и особенно сильно это проявляется в летние меженные месяцы.

В данной работе предлагается расчетные интервалы увязывать с водохозяйственными расчетами водохранилища года расчетной обеспеченности. Требуемые значения параметров уравнения солевого баланса определяются для каждого расчетного интервала, при этом искомая величина м₂, являясь конечной минерализацией для предыдущего интервала, становится начальной для последующего. Определение м_от выполняется исходя из того, что в засушливой, степной зоне на неё оказывает влияние W_исп. Поэтому для условий водосбора р. Таналык величину концентрации м_от предлагается вычислять с учетом величины W_исп:

. (4)

Тогда искомая величина м₂ определится как:

. (5)

Для проверки правильности предложенного расчетного метода (выражение 5) произвели его сопоставление со значениями, полученными экспериментально в течение 2007 года.

Экспериментальные значения получены в результате отбора и анализа пробы воды в лаборатории, аккредитованной в установленном порядке на право выполнения исследований качества воды проектно-изыскательского института «Башгипроводхоз». Отбор проб воды для анализа произведен в соответствии с требованиями ГОСТ Р 51592-2000 "Вода. Общие требования к отбору проб". Целью отбора проб является получение дискретной пробы, отражающей качество исследуемой воды.

Для сравнения существующих методов расчета м₂ с расчетной формулой (5) представлена зависимость м_2i = f(t) для водохранилища на р. Б. Бузавлык (рис. 3).



Рис. 3 Зависимость м_2i = f(t) по различным методам: символ м_2-1 - определение величины м₂ по методу Н.М. Бочкова, м_2-2 - по упрощенному методу, м_2-3 - по методу Г.И. Попова, м_{2 эксп} - экспериментально, м₂ - предлагаемый метод

Точность указанных расчетов и их расхождение определили по величине абсолютной погрешности i расчетной величины Дм_2i:

, (6)

где м_2эксп - экспериментальное значение минерализации воды в водохранилище на конец расчетного интервала;

м_2i - минерализация отдельных расчетных величин м₂.

Сравнительная оценка различных методов определения м₂ представлена в виде графика зависимости Дм_2i = f(t) (рис. 4).

Анализ графических зависимостей показывает, что предложенный расчетный метод дает значения, наиболее близкие к экспериментальным значениям, особенно это можно проследить в летний меженный период (июнь, июль), т.е. именно в тот момент, когда объемы испарения воды из водохранилища W_исп характеризуются как максимальные. В июне Дм₂ ближе к истинному значению при сравнении с другими методами на 6,0-19,87 мг/л, в июле - на 6,3-28,35 мг/л.



Рис. 4 Зависимость Дм_2i = f(t) по различным методам: символ Дм_2-1 - обозначение погрешности метода Н.М. Бочкова, Дм_2-2 - упрощенного метода, Дм_2-3 -метода Г.И. Попова, Дм₂ - предлагаемого метода

То есть, выражение (5) для условий водосбора р. Таналык наиболее полно отражает влияние гидрохимической инерции водохранилищ, дает возможность выполнить качественный прогноз изменения химического состава воды водоемов.

В четвертой главе «Методика оценки риска возникновения аварийных ситуаций на водохранилищах в границах водосбора» проведены анализ риска и вероятностная оценка аварий ГТС, разработана методика построения депрессионных кривых в теле грунтовых плотин водохранилищ для условий изучаемого водосбора.

Для эксплуатируемых в настоящее время водохранилищ выявление потенциального риска аварии рекомендуется проводить в три стадии.

1) предварительный анализ опасности. Анализируются наиболее опасные участки, являющиеся вероятными источниками аварии всего водохранилища.

2) выявление последовательности опасных ситуаций. Исследование производят с помощью двух основных аналитических методов: построения дерева событий и построения дерева отказов.

Далее производят анализ результатов, полученных на стадиях предварительной оценки опасности и выявления последовательности опасных ситуаций.

Построение дерева событий на примере Таналыкского водохранилища представлен на рис. 5.

Одной из основных задач оценки и управления рисками является определение количественных характеристик опасности (количественная оценка риска). Интенсивность отказов рассматриваемых сооружений гидроузла определяется как:

, (7)

где - число отказов рассматриваемых сооружений за исследуемый промежуток времени;

- среднее число исправно функционирующих сооружений в интервале ;

- число рассматриваемых сооружений, исправно функционирующих в начале интервала ;

- то же в конце интервала .



Рис. 5 Построение дерева событий аварийных ситуаций при различных сценариях на плотине Таналыкского водохранилища

Определение вероятности отказа сооружений водохранилищ и перехода их в аварийное состояние можно производить, используя асимптотическую формулу Пуассона для редких событий:

, (8)

где - интенсивность отказов рассматриваемого вида сооружений водохранилища;

m - число отказов конкретного сооружения гидроузла, происходящих за одинаковые промежутки времени.

В результате проведенных расчетов установлено, что статистическая интенсивность отказов сооружений , вероятность перехода в аварийное состояние водохранилищ составляет .

Установлено, что одной из основных причин аварий и разрушений грунтовых плотин на водохранилищах являются фильтрационные процессы (45%). Поэтому натурные исследования фильтрации являются необходимым условием при изучении безопасности сооружения.

С целью изучения фильтрации воды через тело грунтовой плотины водохранилищ рассматриваемого водосбора с 1997 по 2008 гг. проведены экспериментальные натурные фильтрационные исследования по показаниям контрольно-измерительной аппаратуры (КИА). Положение депрессионной кривой фильтрационного потока в теле плотины является одним из основных показателей (критериев) безопасности сооружений. Поэтому в качестве основных исследуемых параметров приняты отметки депрессионной кривой.

Грунтовая плотина Таналыкского водохранилища оснащена КИА, состоящей из водомерного поста и 10 пьезометров. Пьезометры образуют пьезометрическую сеть: пьезометры П-1, П-2, П-4, П-6, П-8, П-9 расположены непосредственно на гребне плотины на отм. 364,5 м (БС), пьезометры П-3, П-5, П-7, П-10 расположены на берме низового откоса на отм. 357,0 м (БС) (рис. 6).



Рис. 6 Схема расположения пьезометров на плотине Таналыкского водохранилища

Уровни воды в ВБ и в пьезометрах определялись по стандартной методике. Усредненные значения уровней воды по годам представлены в виде 35 замеров. Полученные экспериментальные значения выражены в виде графиков динамики уровней воды по возрастающему ряду (рис. 7).

Рис. 7 Динамика уровня воды в ВБ и пьезометрах Таналыкского водохранилища

В результате анализа графических зависимостей установлено, что изменения уровней воды в пьезометрах прямо пропорциональны изменению уровня воды в ВБ. Абсолютные значения уровней воды в пьезометрах, расположенных на гребне, больше, чем на берме.

Полученные экспериментальные значения проверены на наличие или отсутствие выбросов - грубых ошибочных измерений, которые могут привести к неправильным выводам. Результаты замеров выразили через показатели описательной статистики, используя пакет анализа данных Excel и систем обработки данных STATISTICA.

Анализ параметров описательной статистики показал, что коэффициенты вариации всех переменных находятся в пределах 0,40 - 0,77%. Т.е., результаты замеров пригодны для дальнейших анализов и построения моделей. В пьезометрах, находящихся на берме, среднеквадратические отклонения от среднего значения, а также размах значений ниже, чем в пьезометрах, находящихся на гребне. Асимметрия значений во всех замерах несущественная, распределения значений у всех единиц совокупности - плосковершинные.

В работе использован метод корреляционно-регрессионного анализа и построена модель парной зависимости уровня воды в пьезометре от уровня воды в ВБ по всем пьезометрам.

Теснота связи между уровнем воды в ВБ и уровнем воды в пьезометрах сильная по всем единицам наблюдения. Проверка уравнений по F-критерию (при табличном значении 4,17 и уровне значимости 0,05) показала статистическую значимость уравнений регрессии в целом и показателя тесноты связи. Параметры уравнений надежны и статистически значимы.

Значения коэффициентов регрессии показывают, что наибольшее изменение уровня воды произойдет в П-4 (0,85 м), наименьшее - в П-10 (0,50 м). Теснота связи между уровнями воды в ВБ и соответствующем пьезометре, которую характеризуют парные коэффициенты корреляции, сильнее в П-3 (r_xy = 0,997), слабее - в П-2 (r_xy = 0,984).

Статистический анализ обработки данных позволил описать динамику уровней фильтрационной воды для каждого пьезометра и получить экспериментальную математическую функцию напоров. Зависимости напоров воды в пьезометрах () от напора воды в ВБ () h_п=f(Н₁) хорошо аппроксимируются выражениями:

для гребня ; (9)

для бермы . (10)

На практике часто возникает необходимость построения депрессионной поверхности (кривой) фильтрационного потока в теле грунтовых плотин, используя прогнозные математические модели. С целью создания такой модели сравнили отметки депрессионной кривой, полученные экспериментально, и по имеющемуся расчетному методу. Сравнительный анализ показал, что результаты отличаются на 0,34 - 1,41 м (рис. 8).

Отношение экспериментальных и расчетных отметок депрессионной кривой выразили через коэффициент эквивалентности и аппроксимировали математической функцией:

, (11)

где - приведенное расстояние от оси координат (УВВБ) до искомой точки в теле плотины, определяемое как ;

- текущая координата искомой точки в теле плотины по оси абсцисс;

- та же координата, выраженная через экспериментальную математическую функцию напоров;

- расстояние от оси координат (УВВБ) до точки входа кривой депрессии в дренаж по оси абсцисс.

Рис. 8 Зависимость h_пх=f(Н₁)

Полученную зависимость (11) рекомендуется учитывать введением в расчетную модель эквивалентное расстояние :

(12)

где - текущая координата кривой депрессии по оси ординат;

- коэффициент фильтрации грунта тела плотины;

, - соответственно, удельный фильтрационный расход воды и координата кривой депрессии по оси ординат в точке входа в дренаж, определяемые по известным зависимостям;

- эквивалентное расстояние, определяемое по формуле:

. (13)

Для сравнения значений, определенных по зависимости (12), с экспериментальными значениями пьезометрических напоров представлена зависимость h_пх=f(Н₁) для Таналыкского водохранилища (рис. 9).

Рис. 9 Результирующая зависимость h_пх=f(Н₁) с учетом x_э

Адекватность полученной зависимости подтверждается сопоставлением теоретических и эмпирических значений, расхождение которых не превосходит 5% (рис. 9).

Установленные закономерности позволяют описывать фильтрационные процессы в теле грунтовых плотин водосбора р. Таналык и выполнять достоверные прогнозные расчеты депрессионной кривой.

В пятой главе «Разработка модели «ГИС - водосбор р. Таналык»» на основе анализа прикладных геоинформационных систем, структуры программного пакета ГИС «ИнГео» разработана модель «ГИС- водосбор р. Таналык».

Процесс разработки модели представлен на рис. 10.



Рис. 10 Функциональная структура ГИС

Разработка модели произведена на основе программного пакета «ИнГео». Модель данных территориального уровня представлена на рис. 11.

Рис. 11 Укрупненная модель данных водосбора р. Таналык

База данных «ИнГео» состоит из трех основных частей:

1) Системные и пространственные объекты, т.е. системные объекты ГИС (территории, проекты, слои, стили и т.п.), геометрия пространственных объектов и информация о топологических связях между объектами.

2) Семантические таблицы (атрибутивная информация, связанная с пространственными объектами). Хранятся в виде набора реляционных таблиц.

3) Растровые файлы (набор растровых файлов, связанных с растровыми картами ГИС).

При разработке ГИС- водосбор р. Таналык основная роль отведена модели местности цифровому представлению пространственных объектов, соответствующих объектовому составу топографической карты. Функциональные особенности ГИС позволяют обрабатывать цифровую модель для получения ряда производных морфометрических или иных данных (рис.12 и 13).

Рис. 12 Фрагмент пользовательского интерфейса ГИС с изображением элементов водосбора р. Таналык

Рис. 13 Морфометрические характеристики водохранилищ водосбора

Модель «ГИС-водосбор р. Таналык» позволяет:

- осуществить на единой методологической и технологической основе интеграцию атрибутивных данных;

- создать корпоративный информационный ресурс водосбор р. Таналык;

- обеспечить качественное, оперативное и наглядное представление информации при анализе, принятии решений и осуществлении мероприятий по обустройству водосбора.

ВЫВОДЫ

1. Комплексная оценка современного состояния водосбора р. Таналык показывает, что экологическая устойчивость водосбора оценивается как «очень низкая» ( =0,23), уровни эколого-геохимической устойчивости к кислотным воздействиям и к загрязнению тяжелыми металлами оцениваются как средние. С территории водосбора р. Таналык в процессе эрозии ежегодно смывается 49920 т почвы, более 3494 т гумуса, 175 т азота, 28 т фосфора, 75 т калия.

2. Разработана обобщенная модель устойчивого функционирования водосбора р. Таналык, согласно которой управление системой водосбора осуществляется через мелиоративную подсистему. Выделены элементы мелиоративных систем, с помощью которых представляется возможность повысить степень экологической устойчивости водосбора.

3. Изучен макрокомпонентный состав поверхностных вод водосбора и предложена расчетная методика прогноза химического состава воды водохранилищ для условий водосбора р. Таналык. При прогнозе качества воды водохранилищ концентрацию минерализации оттока м_от предлагается вычислять с учетом величины объема испарившейся за расчетный интервал времени воды из водохранилища W_исп.

4. Анализ риска и вероятностная оценка аварий ГТС водохранилищ позволили оценить статистическую интенсивность отказов сооружений и вероятность перехода в аварийное состояние водохранилищ , .

5. Разработана методика построения депрессионных кривых в теле грунтовых плотин водохранилищ для условий изучаемого водосбора. Установлено, что при построении депрессионной кривой, используя существующие расчетные модели, рекомендуется вводить эквивалентное расстояние .

6. Разработана модель «ГИС - водосбор р. Таналык», обеспечивающая на единой основе интеграцию данных, а также оперативное и качественное представление информации для принятия решений при обустройстве водосбора р. Таналык. Основная роль отведена модели местности - цифровому представлению пространственных объектов водосбора.

7. Для повышения степени экологической устойчивости водосбора р. Таналык рекомендованы следующие мероприятия:

- продолжение целенаправленной работы по залужению малопродуктивных, деградированных распаханных земель площадью 542,43 км² и переводу их в сенокосы и пастбища, рекультивация техногенно нарушенных земель. Коэффициент устойчивости водосбора (К_с) увеличивается на 0,07;

- использование агротехнических противоэрозионных приемов обработки почв, снегозадержания и регулирование снеготаяния, повышающих К_с на 0,04;

- устройство буферных зон (посадка лесных полос шириной до 50 м) по контуру населенных пунктов, промышленных площадок, карьеров; создание и развитие вдоль речных долин, водотоков, водохранилищ и отстойников биокоридоров в виде особоохраняемых территорий, водоохранных зон, лесных полос и кустарниково-степных массивов. Коэффициент К_с увеличивается на 0,03;

- совершенствование технологии орошения - при проведении дождевания интенсивность дождя рекомендуется принимать менее 0,1-0,3 мм/мин во избежание развития поверхностного стока; целесообразно использовать лиманное орошение, позволяющее эффективно использовать весенний сток. При этом коэффициент устойчивости водосбора повышается на 0,03.

Список основных работ, опубликованных по теме диссертации

1. Кутлияров, Д.Н. Фильтрационные исследования грунтовой плотины Таналыкского водохранилища [Текст] / А.Р. Хафизов, Д.Н. Кутлияров // Мелиорация и водное хозяйство. 2007. №5. С. 36-38.

2. Кутлияров, Д.Н. Модель устойчивого функционирования водосбора р. Таналык [Текст] / Д.Н. Кутлияров, А.Р. Хафизов // Достижения науки и техники АПК. 2009. №2. С. 49-51.

3. Кутлияров, Д.Н. Обоснование необходимости обустройства водосбора р. Таналык [Текст] / Д.Н. Кутлияров // Землеустройство, кадастр и мониторинг земель. 2008. №11. С. 64-66.

4. Кутлияров, Д.Н. Геоинформационные системы водохранилищ Республики Башкортостан [Текст] / Д.Н. Кутлияров // Землеустройство, кадастр и мониторинг земель. 2008. №8. С. 89-91.

5. Кутлияров, Д.Н. Пути повышения безопасности водохранилищ Южного Урала [Текст] / Р.Ф. Абдрахманов, А.Р. Хафизов, Д.Н. Кутлияров // Природообустройство и рациональное природопользование - необходимые условия социально-экономического развития России / Сборник научных трудов по материалам международной научно-практической конференции, посвященной 75-летию основания МГУП Часть 1. М.: МГУП, 2005. С. 160-166.

6. Кутлияров, Д.Н. Исследование безопасности гидротехнических сооружений малых водохранилищ Республики Башкортостан [Текст] / Д.Н. Кутлияров // Материалы всероссийской конференции молодых ученых и специалистов «Молодые ученые - землеустроительной науке» “Экономические, правовые, технические и экологические аспекты землеустройства и земельного кадастра”. М.: Государственный университет по землеустройству, 2004. С. 208 - 213.

7. Кутлияров, Д.Н. Прогноз качества воды Акъярского водохранилища [Текст] / Д.Н. Кутлияров, Г.А. Гайсина // Материалы всероссийской научно-практической конференции в рамках XV Международной выставки «АгроКомплекс-2005» “Повышение эффективности и устойчивости развития агропромышленного комплекса” Часть IV. Уфа: БашГАУ, 2005. С. 65-67.

8. Кутлияров, Д.Н. Исследование фильтрации через тело плотины Кагинского водохранилища Республики Башкортостан [Текст] / Д.Н. Кутлияров // Материалы Республиканской научно-практической конференции “90 лет мелиорации земель в Республике Башкортостан”. - Уфа, 2004. С. 45-46.

9. Кутлияров, Д.Н. Упрощённая методика определения параметров фильтрации в теле плотины Маканского и Акъярского водохранилищ [Текст] / Д.Н. Кутлияров // Сборник материалов Всероссийского постоянно действующего научно-технического семинара «Экологическая безопасность регионов России и риск от техногенных аварий и катастроф». Пенза: Приволжский Дом Знаний, 2005. С. 28-30.

10. Кутлияров, Д.Н. Повреждения и разрушения грунтовых плотин водохранилищ [Текст] / Д.Н. Кутлияров // Материалы IV Международной научно-практической конференции «Природоресурсный потенциал, экология и устойчивое развитие регионов России». Пенза: РИО ПГСХА, 2006. С. 131-134.

11. Кутлияров, Д.Н. Разработка сценариев возникновения аварий на гидротехнических объектах (ГТО) [Текст] / А.Р. Хафизов, Д.Н. Кутлияров // Материалы Международной научно-практической конференции «Роль природообустройства в обеспечении устойчивого функционирования и развития экосистем». М.: МГУП, 2006. С. 505-510.

12. Кутлияров, Д.Н. Оценка влияния динамики измерения уровня воды в верхнем бассейне на параметры фильтрационного потока в теле плотины Таналыкского водохранилища [Текст] / Д.Н. Кутлияров // Материалы I Всероссийской научно - практической конференции молодых ученых «Молодые учёные в реализации приоритетного национального проекта «Развитие АПК»» Уфа: Изд. БГАУ, 2006. С. 64 - 67.

13. Кутлияров, Д.Н. Оценка потенциальной опасности от аварии на ГТС по административным районам Башкортостана [Текст] / Д.Н. Кутлияров // Материалы всероссийской научно-практической конференции с международным участием в рамках XVIII Международной специализированной выставки «АгроКомплекс-2008»“Интеграция аграрной науки и производства: состояние, проблемы и пути решения”. «Рациональное использование, охрана и воспроизводство природных ресурсов». Уфа: БашГАУ, 2008. С. 252-253.

14. Кутлияров, Д.Н. Безопасное функционирование гидротехнических сооружений - как фактор экологической устойчивости водосборов [Текст] / А.Р. Хафизов, Д.Н. Кутлияров // Материалы IIЙ Международной научно-практической конференции «Аграрная наука - сельскому хозяйству». Барнаул: Изд-во АГАУ, 2008. С. 334-336.

15. Кутлияров, Д.Н. Оценка воздействия водохранилищ на окружающую среду [Текст] / Д.Н. Кутлияров // Материалы Международной научно-практической конференции «Роль мелиорации и водного хозяйства в реализации национальных проектов» Часть II. М.: МГУП, 2008. С. 103-106.

Размещено на Allbest.ru

...