Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

"КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ"

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Спеціальність 21.06.01 - Екологічна безпека

Наукове обґрунтування прогнозу стану РІЧКОВих БАСЕЙНІВ України і методи його оцінки

Волошкіна Олена Семенівна

Київ - 2004

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Українському інституті досліджень навколишнього середовища і ресурсів при Раді національної безпеки і оборони України та на кафедрі охорони праці і навколишнього середовища Київського національного університету будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України.

Науковий консультант: доктор технічних наук, старший науковий співробітник Трофимчук Олександр Миколайович, Інститут телекомунікацій і глобального інформаційного простору НАН України, заступник директора з наукової роботи

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Пирський Олексій Антонович, Національний технічний університет України "КПІ", професор кафедри інженерної екології

доктор технічних наук, старший науковий співробітник Поляков Вадим Леонтійович, Інститут гідромеханіки НАН України, провідний науковий співробітник

доктор технічних наук, старший науковий співробітник Михайлов Юрій Олексійович, Інститут гідротехніки і меліорації ААН України, головний науковий співробітник

Провідна установа: Український науково-дослідний інститут екологічних проблем Міністерства охорони навколишнього природного середовища України, м. Харків

Захист відбудеться “14” червня 200 4 р. о 14³⁰ год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.002.05 при Національному технічному університеті України "Київський політехнічний інститут" за адресою: 03056, м. Київ, просп. Перемоги, 37

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного технічного університету України "Київський політехнічний інститут" за адресою: 03056, м. Київ, просп. Перемоги, 37, корп. 21, ауд. 209.

Автореферат розісланий “26” квітня 2004 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д 26.002.05

к. т. н. професор В.Я. Круглицька

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Стан водних об'єктів і водозабірних басейнів України свідчить про те, що подальший розвиток господарства вже неможливий на базі традиційних екстенсивних методів використання водоресурсного потенціалу. Для досягнення балансу між попитом на воду і відновлювальною спроможністю водних об'єктів та забезпечення достатнього рівня національної і регіональної водної безпеки постає необхідність в наявності розвинутої науково-методичної бази надійного прогнозу їх стану.

Сучасні методики прогнозу дають змогу реалізувати тільки окремі варіанти кількісних оцінок рівня антропогенного навантаження на річкові басейни та стосуються вивчення стану поверхневих або підземних вод без урахування їх належної взаємодії. Із існуючих, найбільш розповсюджені поширені і ефективні методи прогнозу, основані на реалізації математичних моделей, які базуються на рівняннях математичної фізики і роблять такі прогнози працездатними тільки для окремих локальних ділянок області, що розглядаються, із-за складності їх математичного обґрунтування і розробок. Більш прості широко відомі концептуальні балансові моделі, що описують дані процеси, дозволяють отримати наближені кількісні оцінки і прогнозувати в цілому розвиток ситуації в регіоні. Але в практичних ситуаціях їх важко належним чином науково обґрунтувати та забезпечити необхідною інформацією, для збору якої потрібна розвинута мережа пунктів спостереження за санітарно-екологічним станом, як власне, самих поверхневих та підземних вод, так і відповідних територій з притаманними їм природними особливостями та рівнем розвитку соціально-екологічних структур.

Інформаційні моделі, які синтезуються за допомогою космічних знімків високої роздільної здатності та електронних карт місцевості і включають цифрові моделі її рельєфу набувають останнім часом все більшого застосування, але потребують подальших досліджень стосовно проблеми їх практичного застосування для оцінок і прогнозу якості поверхневих і особливо підземних вод в системах підтримки для прийняття управлінських рішень на регіональному та об'єктному рівнях.

Тому дослідження, пов'язані з розробкою науково обґрунтованої методики комплексного прогнозу екологічного стану річкових басейнів, тобто на значних територіях, в залежності від рівня сумарного антропогенного навантаження на них та рекомендацій по його регламентації, які дозволяють оцінити сучасний і прогнозувати необхідний рівень екологічної безпеки є важливою актуальною народногосподарською та науковою проблемою. При вирішенні цієї наукової проблеми, пов'язаної з вивченням процесів формування кількості і якості водних ресурсів в річкових басейнах в рамках басейнового принципу та регіональних особливостей одиниць адміністративного устрою України, стає потреба розробки теоретичного обґрунтування вказаних процесів з широким залученням фундаментальних основ системного аналізу, гідродинаміки поверхневих і підземних потоків в складних умовах і середовищах з врахуванням при цьому різних фізико-хімічних процесів, теорії геоінформаційних систем і т. ін. Таке теоретичне обґрунтування полягає в розробці більш надійних і адекватних моделей та методів оцінок та прогнозу екологічного стану річкових басейнів України. Реалізація таких моделей та методів різними математичними методами з залученням існуючих дослідних даних спостережень на реальних об'єктах дозволить створити надійну розрахункову базу в системі управління природокористуванням взагалі та особливо в умовах надзвичайних ситуацій на державному, регіональному та об'єктному рівнях.

Окреслена вище низка невирішених питань має важливе народногосподарське значення для функціонування та подальшого розвитку водних екосистем в Україні і свідчить про актуальність цієї проблеми, пов'язаної з забезпеченням достатнього рівня існування та екологічної безпеки річкових басейнів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Основні наукові результати дисертації реалізовано у проектах:

1.1986-1990 рр. Тема 0.04.02Д Удосконалити методи розрахунків і конструкції гідротехнічних споруд в складних ґрунтових умовах на набухаючих і випинаючих ґрунтах; № держреєстрації 01.87.004142.

2.1995-1997 рр. Розробка рекомендацій по екологічному прогнозуванню стану водних об'єктів у залежності від рівня антропогенного навантаження, Наказ Держводгоспу України від 25.02.94 р. № 22, який розроблено згідно Постанови КМУ від 26.01.94 р. № 37 “Про комплексну програму проведення протипаводкових заходів на 1994-2000 рр.; № держреєстрації 0196U00315.

3.2002-2003 рр. Моніторинг небезпечних природних явищ і техногенно небезпечних об'єктів України (Проект: Розробити тематичні карти районування території України по інтенсивності забруднення водних об'єктів поверхневим стоком); Моделювання техногенно-природних процесів і явищ для забезпечення екологічної безпеки об'єктів і територій України (в рамках науково-дослідної тематики Українського інституту досліджень навколишнього середовища і ресурсів, яка виконувалася за замовленням Ради національної безпеки і оборони України); № № держреєстрації 0103V006719, 0103V006720.

4.2003 р. Розробка теоретичних основ та методики космічного моніторингу поверхневих вод суші (в рамках науково-дослідної тематики Національного космічного агенства України); № держреєстрації 0102V001333/11.24667660.

5.1997-2000 рр. Tacis, CBC Programme: Bug and Latorica/Urh. Transboundary Water Quality Monitoring and Assessment.

6.1997-1999 рр. “Дослідження антропогенного навантаження на трансграничні річки Білорусі і України, стабілізація їх стану”. Сфера підтримки наукових досліджень. Фонд Сороса.

Мета і завдання досліджень. Мета дисертаційної роботи полягає в науковому обґрунтуванні і розробці на цій основі більш надійних і достовірних моделей та інженерних методів розрахунку прогнозу стану річкових басейнів України.

Для досягнення цієї мети необхідно вирішити наступні задачі з врахуванням факторів взаємодії поверхневих і підземних потоків:

- провести аналіз та узагальнення існуючих моделей і методів оцінок стану та прогнозу річкових екосистем в залежності від рівня антропогенного навантаження;

- визначити методичні передумови розв'язання проблеми і розробити концепцію комплексного підходу розробки прогнозу формування якості водних ресурсів річкових басейнів;

- обґрунтувати концепцію і реалізувати її із застосуванням ГІС-технологій при розробці картографічної моделі антропогенного навантаження на поверхневі води на місцевому та регіональному рівнях;

- провести аналіз складових формування поверхневого стоку з сільгоспугідь та урбанізованих територій, як фактору забруднення загальнодержавного і місцевого значень; розробити і реалізувати картографічну модель забруднення водних об'єктів дифузними джерелами;

- розробити математичне моделювання і методи розрахунку параметрів забруднення гідрографічної мережі в умовах надзвичайних ситуацій, обумовлених аварійними скидами стічних вод різного походження;

- скласти математичні моделі і розробити чисельні і аналітичні методи розрахунку режимів руху підземних вод в складних гідрогеологічних умовах, що обумовлюють і виступають основними чинниками забруднення водойм та водоносних горизонтів, особливо в районах хвостосховищ та складування твердих побутових відходів (ТПВ).

Об'єкт дослідження - річкові басейни України.

Предмет дослідження - наукове обґрунтування прогнозу екологічного стану річкових басейнів України.

Методи дослідження - методи системного аналізу, теорія ієрархічних систем, фізичне і математичне моделювання, сучасні інформаційні технології дистанційного зондування Землі з космосу та теорії геоінформаційних систем.

Наукова новизна отриманих результатів:

- отримано нові результати фундаментальних досліджень для розрахунків прогнозу екологічного стану річкових басейнів України в сучасних технічних умовах та інженерних методів його оцінки;

- складені концепція і системна модель прогнозу екологічного стану річкових басейнів під впливом антропогенного навантаження, яка дозволяє обґрунтувати достатній рівень їх екологічної безпеки;

- розроблені і реалізовані із застосуванням даних дистанційного зондування Землі (ДЗЗ) та ГІС-технологій картографічні моделі оцінки антропогенного навантаження на поверхневі води на місцевому та регіональному рівнях;

- запропоновано новий клас інформаційних моделей і методів розрахунку, пов'язаних з вивченням процесів забруднення річкових басейнів поверхневим стоком з сільськогосподарських угідь та урбанізованих територій;

- розроблена більш досконала динамічна технологічна схема та автоматизована система для прийняття управлінських рішень при аварійних скидах стічних вод промисловими, комунальними та агропромисловими підприємствами;

- одержані гідродинамічні методи розрахунку режимів руху підземних вод в складних гідрогеологічних умовах з метою оцінки підтоплення і забруднення прилеглих територій та річкових басейнів, зокрема забруднення водоносних горизонтів за рахунок стічних вод, які поступають із різних відстійників та хвостосховищ.

Практичне значення отриманих результатів. Практична цінність результатів досліджень полягає в тому, що на базі проведеного наукового аналізу існуючого стану проблеми, широкого використання методів фізичного і математичного моделювання створено методики розрахунку для розв'язку практично важливих задач по проблемі, яка розглядається, що дозволяє більш досконало обґрунтувати прийняття управлінських рішень і оцінити можливі ризики екологічної безпеки територій і акваторій.

Тематичні картографічні моделі: “Використання поверхневих вод Харківської області” та “Природоохоронна карта Полтавської області”, синтезовані в середовищі ГіС-платформи Arc-View і впроваджені в Територіальному Виробничому Об'єднанні (ТВО) “Харківкомунпромвод” і Державному управлінні екології та природних ресурсів Полтавської області. Остання картографічна модель була видана масовим тиражем - 3000 примірників і надіслана в місцеві органи самоврядування і заклади освіти. Інженерні методики розрахунків для оцінки стану водних об'єктів, забруднених ґрунтовими водами, були впроваджені в АО “Укргідропроект” для визначення кількості забруднень, які поступають в Кременчуцьке водосховище з полів фільтрації очисних споруд.

Рекомендації щодо поліпшення екологічного стану басейнів трансграничних річок, які розроблені на базі розрахунків нормативно-пошукового прогнозу по запропонованій в дисертації методиці були використані при розробці заходів по удосконаленню ведення моніторингових досліджень на трансграничних створах в рамках міжнародного проекту Tacis, CBC Programme: Bug and Latorica/Urh. Transboundary Water Quality Monitoring and Assessment.

Особистий внесок автора. Основні наукові ідеї і положення теоретичних і експериментальних досліджень розроблені і сформульовані автором особисто. Виконано: обґрунтовані методичні підходи, концепція та системна модель прогнозу формування процесів забруднення річкових басейнів під впливом антропогенного навантаження; розроблені і реалізовані картографічні моделі забруднення водних об'єктів з використанням ДЗЗ і ГіС-технологій, зокрема дифузними джерелами забруднення; розроблена автоматизована система для прийняття рішень в умовах надзвичайних ситуацій, обумовлених аварійними скидами стічних вод різного походження; складені гідродинамічні моделі поверхневих і підземних потоків та обчислювальні алгоритми, методики розрахунку міграції забруднень підземним стоком з екранованих відстійників та хвостосховищ.

Апробація результатів досліджень. Результати, одержані на різних етапах роботи, доповідались на наукових семінарах, конференціях, симпозіумах. На деяких із них:

1.XVIII конференції придунайських країн “Hydro-gische Vorhersagen und Hydrologisch-wasser-wirtschaftliche Grund-lagen” (м.Грац, Австрія, 1996 р.).

2.II, III, IV Міжнародних конгресах “Вода, экология, технология” (м. Москва, 1996, 1998, 2000 рр.).

3.Міжнародних семінарах “1997 Tacis CBC Programme: Bug and Latorica/Urh. (м. Київ, 1998-2000 рр.).

4.На IХ та Х Міжнародних науково-технічних конференціях “Екологія та здоров'я людини. Охорона водного і повітряного басейнів. Утилізація відходів. (Щолкіно, 2001-2002 рр.).

5.VII науково-технічній конференції-семінарі “Нові технології і практичне рішення екологічних проблем (м. Харків, 2001 р.).

6.Міжнародних семінарах по програмі SIDA “Ecology and environmentaltechnology” (м. Стокгольм, Швеція, 2001 р.).

7.62, 63 та 64 науково-технічних конференціях Київського національного університету будівництва і архітектури (м. Київ, 2001-2003 рр.).

8.I-й і II-й міжнародних науково-практичних конференціях “Інформаційні технології управління екологічною безпекою, ресурсами та заходами у надзвичайних ситуаціях” (Крим, сел. Рибаче, 2002, 2003 рр.).

9. II науково-технічній конференції “Застосування GPS в Україні” (м. Харків, 2002 р.).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 35 робіт, включаючи розділи в 2 монографіях, 20 публікацій в наукових журналах, збірниках наукових праць, що занесені у перелік видань, затверджених ВАКом України, 15 брошурах, роботах у матеріалах конференцій та роботах прикладної тематики.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, 6 розділів, висновків, списку використаних джерел та додатків. Викладена на 340 сторінках, що включають 30 рисунків і 31 таблицю на 40 сторінках, 349 найменувань використаних джерел на 19 сторінках і 5 додатків на 23 сторінках.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, сформульовані її мета, задачі досліджень, наукова новизна, практична цінність отриманих результатів.

У першому розділі зроблено критичний аналіз відомих моделей і методів прогнозу процесів формування якості поверхневих і підземних потоків, описаних в роботах вітчизняних та зарубіжних авторів: В.М. Бєляєва, О.Ф. Васильєва, А.Б. Горстко, Е.В. Бруяцького, В.Я. Савенко, В.А. Большакова, С.А. Василенка, В.С. Дейнеки, І.А. Шеренкова, В.Б. Мокіна, Е.В. Єременко, В.Р.Лозанського, М.І. Желєзняка, О.Я. Олійника, В.Л.Полякова, В.С. Кремеза, А.В.Грищенко, О.М. Трофимчука, Г.Я. Красовського, І.А. Родзиллера, А.В. Яцика, І.Т. Прокопчука, А.М.Тугая, В.І. Лялько, О.А.Пирського, А.П. Нетюхайло, В.Е. Терновцева, О.І. Шишкіна, В.А. Петросова, О.Б. Стелі, Ю.О.Михайлова, T.R. Camp, B.A. O'Connor, W.E. Dobbins, D.M. McDowell, A. James, A. Jenkins, D. Kay, E.B. Phelps, W. Rodi, J. Wilkinson, M. Wyer, та ін. Визначено, що моделі міграції і трансформації забруднюючих речовин у водотоках можуть розв'язувати тільки певне коло задач: аналізувати більш прості процеси кінетики забруднюючих речовин у водотоках, прогнозувати трансформації забруднюючих речовин в їх взаємодії на короткому інтервалі часу і на визначеній ділянці водотоку. Ці розробки використовувались як основа для оперативного управління якістю води у відповідній системі управління, або як математичне забезпечення деяких задач у складі автоматизованих систем управління.

Проте, якщо ставити задачу довгострокового екологічного прогнозу стану річкових басейнів, як відмічається в роботах ряду авторів (П.І. Ковальчук, Є.П. Бочаров, Л.М. Бойчук та ін.), розглянуті методи можуть використовуватися тільки у сукупності з іншими методами, як окремі елементи в складних системах моделювання і прогнозу. Для розв'язання більш загальної задачі екологічного моделювання і прогнозу екологічного стану річкових басейнів необхідно застосовувати системні підходи та можливості сучасних інформаційних технологій.

Моделі регіонального рівня, що містять картографічні зображення водних об'єктів і джерел їх забруднення природного і техногенного походжень водокористувачів всіх рангів і елементів систем моніторингу із згаданими типами зв'язків по інформації, накопиченої в базах даних, отриманих контактними і дистанційними методами розглянуто в роботах С.О. Довгого, В.А. Петросова, Г.Я. Красовського, О.М. Трофимчука, О.Д. Федоровського, В.І. Лялька, Л.Д. Грекова, Є.П. Буравльова, О.В. Копійки, О.І. Сахацького, О.О. .Мазуркевича, В.С. Готиняна, В.В. Брука, В.М. Перерви, В.А. Прусова, Г.Ю. Верюжського, Ю.В. Костюченко, О.Т. Азімова, та ін. Такі моделі синтезуються ГІС-технологіями, які, в свою чергу, дають користувачу набір інструментів для аналізу і дозволяють встановити принципово нові закономірності, зв'язки і характеристики організації водокористування в регіоні.

Системний підхід в екологічному моделюванні, який направлений на координацію і інтеграцію використаних наукових методів, цілісне охоплення явищ, які вивчаються, і в той же час на поглиблене вивчення максимальної кількості факторів взаємодії і взаємозв'язку при вирішенні задач водокористування розглядався в роботах А.В. Яцика, В.С. Дейнеки, В.Б. Мокіна, Н.Н. Мойсеєва, Б.О. Акішина, R.J. Lathorp, T.M. Lillesand, B.S. Yandell та ін. авторів.

На основі проведеного в першому розділі аналізу зроблено висновок, що на сучасному етапі розвитку соціально-економічних відносин в Україні екологічне моделювання повинно перш за все задовольняти потреби суспільства в надійних оцінках антропогенного навантаження на річкові басейни, як в цілому, так і по певних їх підсистемах в рамках басейнового принципу та регіональних особливостей одиниць адміністративного устрою України. При цьому задачу екологічного прогнозу для річкових басейнів необхідно ставити як задачу соціо-екологічного прогнозу середньо- та довгострокових змін параметрів їх стану в умовах сучасних темпів антропогенного та техногенного тиску на них, зумовленого проблемами застарілого обладнання та можливостями існуючих очисних споруд. Із зазначеного витікає мета і задачі досліджень за темою дисертації.

У другому розділі на підставі проведеного аналізу та узагальнення існуючих теоретичних рішень і методів розрахунку задач по оцінці та формуванню якості водних ресурсів у часі визначені методичні передумови до розробки методики прогнозу процесів забруднення річкових басейнів, розроблені концептуальні основи системної моделі прогнозу екологічного їх стану в залежності від рівня антропогенного навантаження.

Модель прогнозу побудована за ієрархічним принципом і складається з нормативно-пошукового прогнозу окремих процесів по виділених підсистемах та нормативно-пошукового прогнозу стану водної екосистеми за екологічними критеріями в цілому.

Метою прогнозуючої системи є виконання двох основних операцій: формування множини альтернатив станів об'єкту прогнозу; вибір і порівняння цих альтернатив. При цьому повинні виконуватися принципи взаємопов'язаності і підпорядкованості прогнозів різних рівнів ієрархії об'єкту, зовнішнього середовища, різних аспектів розвитку об'єктів прогнозу; узгодженість пошукових і нормативних прогнозів; безперервність прогнозу, що вимагає їх корекції по мірі надходження нових даних.

Кожний процес, або кожна підсистема при цьому характеризується вектором показників:

f = (f₁ , f₂ , ... , f_n), y = (y₁ , ... , y_m), p = (p₁ , p₂ , ... , p_n), g =(g₁ , g₂ , ... , g_m), (1)

Значення кожного з яких визначається на основі прогнозу на вищому рівні ієрархії у вигляді фізичних, технологічних та інших характеристик. Множина альтернатив зображується вектором U=( U₁ , ... , U_n), компоненти якого можуть визначатись функцією інтегрального критерію:

(2)

В свою чергу, на основі експертного аналізу, вводиться монотонно-спадна та монотонно-зростаюча логічна функція (числової) міри : Uⁱ > Eⁱ, яка для i-го показника набирає вигляду:

(3)

де > > ... , або навпаки.

Щоб оцінити сукупну дію всіх показників f_i підсистеми, тобто вести прогнозну оцінку по всій підсистемі, вводиться одна або кілька функцій екологічної міри:

H_i = H₁ (X₁, X₂ , …, X_n ) і [1; n], (4)

значення якої залежить від значень відповідної міри окремих локальних показників.

Для обчислення якісного стану підсистеми на основі міри Н та стану підсистеми, за допомогою експертних оцінок встановлюється відповідність:

: U H L (5)

де L_i L - множина якісних станів підсистеми (альтернатив), що характеризують соціальну значимість стану підсистеми.

Для оцінки стану всієї підсистеми на множині альтернатив вводиться функція числової міри (L_i ):

(6)

Таким чином, на кожному рівні оцінок (як за окремими критеріями так і їх комплексами) здійснюється кількісний та якісний прогноз за екологічними критеріями на основі формалізації і проведення прогнозної експертизи по кожній підсистемі і кожному процесу, в результаті чого проводиться нормативно-пошуковий прогноз екологічного стану конкретного річкового басейну.



Рис. 1. Схема роботи системної моделі прогнозу екологічного стану річкового басейну.

У третьому розділі розглянута проблема практичного застосування для оцінок і прогнозу якості поверхневих вод методів космічного моніторингу в середовищі геоінформаційних систем. Головна мета таких досліджень - картографічне забезпечення прийняття ефективних управлінських рішень, пов'язаних з реалізацією функцій питного та технічного водопостачання на регіональному рівні, а також управлінням надзвичайними ситуаціями в річкових басейнах. Пропонуються методики синтезу інформаційних моделей техногенного навантаження поверхневих вод. Засобами Arc View були синтезовані моделі техногенного навантаження на поверхневі води Харківської та Полтавської областей.

Для кожного джерела забруднення поверхневих вод вказаних областей як постійно діючою, так і тією, що має потенційну загрозу аварійних або надзвичайних ситуацій, у відповідних файлах зберігається інформація, яка приймається із заданим ступенем повноти. Вона дозволяє аналізувати всі зміни кожного об'єкта в часі і дає можливість моделювати їх сукупний вклад при прогнозуванні якості поверхневих вод на будь-якій ділянці гідрографічної мережі області. Зазначене необхідно розглядати на фоні впливу на еколого-санітарний стан водних об'єктів поверхневих водозборів. Тому в даному розділі дисертантом представлені матеріали синтезу картографічних моделей дифузних джерел забруднення водних об'єктів з використанням ДЗЗ і ГІС-технологій. Серед джерел забруднень поверхневого стоку треба виділити такі: поверхневий стік з урбанізованих територій, який частково упорядкований завдяки дощовій каналізації і є різко змінним у часі; поверхневий стік з сільськогосподарських земель; надходження стічних вод.

Оцінити складову частину забруднень, які надходять у водойми з поверхневим стоком, досить складно. Якщо долю організованих (локалізованих в межах зазначених ділянок) джерел можна безпосередньо врахувати при побудові математичних моделей, то для неорганізованих (розповсюджених на значних ділянках) безпосередньо для їх врахування потрібно розглядати методи математичної статистики.

З метою оперативного управління якістю водних ресурсів необхідно мати об'єктивну інформацію, що характеризує вказані локальне та площадне розміщення дифузних джерел забруднення водних об'єктів, до яких ми будемо відносити різні ділянки водозбору, поверхневий стік з яких надходить у водний об'єкт. Ідентифікація дифузних джерел виконувалася спеціальними алгоритмами обробки космічних знімків високої роздільної здатності, котрими синтезуються тематичні картографічні моделі.

Інформативність таких картографічних моделей достатня для вирішення наступних задач: дати порівняльну оцінку потенційної здатності різних ділянок водозбору “віддачі” з поверхневим стоком забруднюючої речовини; визначити координати водотоків, що впадають у водний об'єкт при формуванні поверхневого стоку, а також контури відповідних водозаборів; в межах виділених водозаборів ранжирувати сільськогосподарські підприємства та ділянки їх земельного фонду за ступенем впливу поверхневого стоку, що формується на них; отримати оцінки ефективності окремих ділянок водоохоронних зон, а також заходів, спрямованих на зниження рівня забруднення водних об'єктів поверхневим стоком; за критерієм мінімізації кількості забруднюючих речовин, що надходять у водний об'єкт з поверхневим стоком, призначити оптимальну локалізацію ділянок поверхневого водозабору для проведення першочергового комплексу водоохоронних заходів; рекомендувати оптимальний комплекс заходів по перехопленню талих та дощових вод для окремої ділянки поверхневого водозабору; виділити водні об'єкти або їх ділянки, що зазнають додаткового навантаження біогенними речовинами від окремих промислових і сільськогосподарських об'єктів.

Для річкових басейнів степової та лісостепової зон ідентифікація дифузних джерел їх забруднення зводиться до картографування ґрунтоерозійних процесів та аналізу просторової мінливості їх інтенсивності.

Розвиток процесів водної ерозії ґрунтів характеризується картосхемами ерозійних зсувів та змитості. При практичних застосуваннях до цих картосхем ставиться досить широкий спектр вимог, головні з яких полягають в ступені необхідної деталізації та оперативності. Загальна схема картографування дифузних джерел забруднення поверхневих вод зводиться до оконтурювання ділянок поверхневого водозабору з квазіоднорідними характеристиками ерозійної стабільності ґрунтів, розрахунку кількості ґрунту, що змивається в середньому за рік з оконтуреної території, та визначенню тієї частки, яка надходить безпосередньо до водних об'єктів.

Ступінь деталізації картографічної моделі дифузних джерел визначається вибором її масштабу та предметної галузі застосування. Вибір останньої визначає вимоги до інформаційного

змісту топографічної основи моделі. Якщо планується її використання в процедурах управління природокористуванням на регіональному або локальному рівнях, до основи потрібно заносити адміністративно-господарський поділ території, а в окремих випадках навіть схеми землеустрою окремих землекористувачів. На національному рівні досить виходити з басейнового принципу із занесенням до топографічної основи меж областей. На цьому рівні достатнім буде масштаб картографічної моделі дифузних джерел забруднення водних об'єктів порядку 1:1000000. Зі зменшенням розмірів досліджуваної території або категорії водного об'єкту (річки - велика, середня, мала) масштаб збільшується. Для рівня області (басейну середньої річки) достатньо масштабу 1:300000, району (басейну малої річки або ділянки середньої річки) - 1:100000.

В межах концепції дифузних джерел забруднення водних об'єктів розглядалася картографічна модель дифузних джерел забруднення поверхневих вод Харківської області, синтезованої в масштабі 1:300000. Територія Харківщини була розбита на більше, ніж 200 мікроводозборів, кожний з яких характеризується однорідними ґрунтоерозійними характеристиками. В якості їх кількісної оцінки взята величина потенційного змиву ґрунтів в межах району - як одиниці адміністративно-господарського поділу території України. Зрозуміло, що окреме дифузне джерело може бути локалізоване на території декількох районів. Ця обставина враховувалася при визначенні характерного для нього значення змиву ґрунту шляхом визначення його середньої величини. З урахуванням реальних особливостей місцевості, довжини гідрографічної сітки, розташування яро-балкових систем, а також ґрунтозахисних властивостей рослинного покрову, визначався відсоток можливого потрапляння ґрунту, що змивається, до водного об'єкту, оскільки деяка його частина відкладається у балках, ярках, лісопосадках і т. ін.

На схемі наведено фрагмент картографічної моделі дифузних джерел забруднення поверхневих вод Харківської обл., синтезованої в М 1:300 000.

Фрагмент відображає ситуацію в Харківській області з відповідним рівнем генералізації, при якій значні ділянки території характеризуються одним ступеневим рівнем впливу на локалізовані водні об'єкти. Якщо прийти до меншого масштабу картографічної моделі, виявляється, що ці території не такі вже й однорідні, на них можна спостерігати суттєву диференціацію окремих ділянок поверхневого водозбору по їх ерозійних особливостях. Саме цю властивість генералізації картографічних моделей ілюструє той же фрагмент картографічної моделі, але синтезованої в масштабі 1:200 000.

Використовуючи картографічні моделі можна вибрати оптимальну інженерну схему розміщення захисних споруд, дати оцінку розподілу навантаження на річкові басейни твердим стоком, біогенними речовинами та залишками агрохімікатів.

На основі проведених досліджень щодо практичного застосування методів дистанційного зондування Землі для реалізації ефективного моніторингу можна зробити висновок, що запропоновані методичні підходи, пов'язані із застосуванням технологій дистанційного зондування з космосу, можуть суттєво підвищити ефективність управління водокористуванням в тому чи іншому розглядуваному регіоні.

Базуючись на вищезгаданих дослідженнях в розділі наведено аналіз різних ситуаційних схем, які виникають при плануванні водоохоронних заходів.

В четвертому розділі наведена розроблена методика прогнозу стану річкових басейнів в залежності від рівня антропогенного навантаження на них у відповідності з басейно-галузевим принципом природокористування. Методика прогнозу заснована на оцінці якісних і кількісних аспектів господарської діяльності в межах річкового басейну, встановленні існуючих закономірностей в окремих підсистемах та їх формалізації.

Системний аналіз антропогенного навантаження і оцінка екологічного стану басейнів річок с одного боку дозволяє окреслити коло актуальних проблем, які потребують першочергового вирішення, а з другого - вибрати оптимальну систему моніторингових досліджень. В розділі наведено побудову і структуру автоматизованої системи для прийняття рішень по оцінці і прогнозу екологічного стану басейнів річок з використанням ГІС-технологій. Робота системної моделі прогнозу екологічного стану поверхневих вод показана на прикладі басейнів річок Західного Бугу, Латориці та Ужа в межах України. В розділі розрахована інтегральна оцінка екологічного стану басейнів зазначених річок, нормативно-пошуковий прогноз різних варіантів стану басейнів залежно від різних варіантів рівня антропогенного навантаження на систему. В розділі на базі цих розрахунків дано рекомендації по поліпшенню екологічної ситуації в басейнах зазначених річок. На другому рівні ієрархії апробована методика довгострокового прогнозування гідрохімічних показників річок Полісся і поверхневих вод озерної екосистеми, досліджені зміни якості поверхневих вод за окремими гідрохімічними показниками.

Розроблені рекомендації щодо поліпшення екологічного стану басейнів міжнародних річок Західного регіону, які були використані при розробці заходів по удосконаленню ведення моніторингових досліджень на трансграничних створах.

У п'ятому розділі розглядається математична модель розповсюдження забруднень річковим потоком при аварійних скидах стічних вод промисловими, комунальними та агропромисловими підприємствами і наведено відповідні чисельний алгоритм і програма, які дають змогу оцінити динаміку забруднення річок у часі у часі.

Аварійні скиди стічних вод, які містять велику кількість забруднюючих речовин можуть в певних умовах складати серйозну загрозу для екосистеми річки. Для оцінки екологічних наслідків таких скидів необхідно побудувати і реалізувати відповідні математичні моделі для визначення розповсюдження забруднюючих речовин в руслі та оцінки розмірів зони їх впливу. Математична модель складається з двох взаємозв'язаних блоків гідродинамічного і динаміки розповсюдження забруднень у водному середовищі.

Гідродинамічний блок складається із відомої системи рівнянь Сен-Венана, записаних для нестаціонарного руху рідини у відкритих руслах (Ж.А. Кюнж, Ф.М. Холлі, А. Вервей):

(7), (8)

де х - незалежна зміна по довжині русла; t - час ; Q(x,t) - витрати води у руслі; y(x, t) - відмітка глибини води в руслі; q(x,t) - розподілений боковий приток; A - площа живого перерізу; b(y) - ширина потоку по вільній поверхні води; S_f - ухил тертя; g - прискорення вільного падіння; ?(y) - коефіцієнт нерівномірності розподілу швидкості по поперечному перерізу.

Блок динаміки розповсюдження забруднення складається із рівняння транспорту і балансу, записаного відносно масової концентрації консервативних домішок та процесів турбулентної дифузії:

= - (QС) + f( x, t ), (9)

де С( x, t ) - масове осереднення по поперечному перерізу концентрацій забруднювачів;

D (x) - коефіцієнт турбулентної дифузії (коефіцієнт поздовжньої дисперсії); функція f(x,t ) - характеризує розподілені та зосереджені джерела забруднення.

Для визначення дефіциту розчиненого кисню у воді рівняння транспорту запишеться дещо у іншому вигляді, де замість концентрації С береться різниця між фоновою та реальною спостерігаємою концентраціями кисню. Необхідність таких розрахунків виникає у випадку, коли найбільша загроза для екосистеми річки полягає не стільки у збільшенні концентрації забруднюючих речовин, скільки в погіршенні кисневого режиму річки.

Процес розрахунку транспорту забруднень проходить у два етапи. На першому етапі розраховуються витрати води в руслі та глибина, на другому - обчислюються концентрації забруднень.

На основі розроблених в дисертації алгоритмів і програм створено програмний розрахунковий комплекс, який має модульну структуру і може бути адаптований до конкретних умов і видів забруднювачів.

В якості приклада його реалізації розрахунку розглянуто випадок залпового скиду стічних вод на ділянці річки, топографічні та гідравлічні умови якої характерні для річок Українського Полісся і побудована блок-схема розрахунку. картографічний модель вода забруднення

Рис.2. Блок-схема системи розрахунку транспорту забруднень річковим потоком

В даному розділі дисертації також запропоновані рекомендації для транскордонного переносу речовин на основі балансових співвідношень при сталому режимі течії у водотоці. Наведені результати апробовані на ділянках р. Сіверський Донець, що мають кордони України та Росії.

У шостому розділі одержані методики розрахунків забруднення річок підземним стоком у районах хвостосховищ та складування ТПВ. Досліджено формування фільтраційних потоків в складних гідрологічних умовах, на базі яких створені інженерні методики розрахунків для оцінки впливу забруднення водних об'єктів ґрунтовими водами.

В загальному вигляді рівняння усталеної фільтрації має вигляд

, (10)

де h - напір ґрунтових вод; к - коефіцієнт фільтрації ґрунту.

На основі моделі в даному розділі, автором запропоновані розв'язки інженерних задач з врахуванням руху води в ґрунті при повному та неповному вологонасиченні. Здійснено розрахунок виносу забруднення за запропонованою методикою комунальних очисних споруд Канівського р-ну Черкаської обл. (с. Пекарі).

Геометрична область розбивалася на 28 зон відповідно до фізичних властивостей ґрунтів. У вологоненасиченій зоні коефіцієнт фільтрації обчислювався за формулою (В.І. Аравін, С.М. Нумеров)

(11)

де , , - тиск і щільність рідини; - прискорення вільного падіння; =0.25, =0.48; коефіцієнт приймався рівним коефіцієнту фільтрації відповідно до кожної зони. “Грунтово-рослинний” шар, потужність якого 0,4--0,6 м, задавався як тонке включення.

На тонкому включенні задавалися умови спряжіння виду

, (12)

де - напір, , - коефіцієнт фільтрації включення товщини .

На ділянці височування задавалися умови першого і другого роду при , , =1.25 і розбитті області на 1676 трикутних елементи.

Розв'язок стаціонарної задачі притоку грунтових вод у Кременчуцьке водосховище з очисних споруд Канівського р-ну дозволив зробити висновок, що забруднення в водосховище поширюється через ґрунтові води.

Напружено-деформований стан ґрунтових захисних дамб хвостосховищ залежить від міцнісних характеристик ґрунту, що знаходиться в різних умовах зволоження, фільтраційного та поверхневого навантаження. Зміна напружено-деформованого стану ґрунтів призводить до зміни стану порового середовища, а отже і до зміни коефіцієнтів фільтрації ґрунту. Наявність фільтрації рідини впливає на напружено-деформований стан ґрунтів, в тому числі і на динаміку виникнення і проходження зсувів, що складає ризик забруднення поверхневих вод річкового басейну.

В розділі наведено постановку інженерної задачі напружено-деформованого стану фільтруючого масиву. Її розв'язок полягає в наступному: на першому етапі розв'язується задача безнапірної (з вільною поверхнею) фільтрації. В результаті визначена зволожена область та градієнти напору.

На другому етапі з врахуванням результатів, одержаних на першому етапі, призначаються відповідні механічні (пружні) характеристики, визначаються масові сили і розв'язується задача пружної рівноваги. Враховуючи певні критерії, визначається розташування ймовірних поверхонь зсувів та епюри відповідних напружень.

Методика, яка запропонована для інженерного розрахунку, побудована на класичному підході з точки зору теорії пружності, але її особливість полягає в тому, що вона враховує дію фільтрації і неоднорідність ґрунту схилу.

Відсутність технологій захисту ґрунтових вод на звалищах відходів провокує інтенсивне забруднення першого водоносного горизонту продуктами деструкції відходів. Ступінь цього забруднення в більшості звалищ практично не контролюється в зв'язку з відсутністю систем контролю за якістю ґрунтових вод на відповідних спостережних свердловинах.

Традиційно розповсюджена практика знешкодження відходів на звалищах потребує суттєвої модернізації більш сучасними технологіями, які забезпечать дотримання екологічних вимог. З точки зору охорони довкілля до цих технологій відноситься організація ефективного захисту підземних вод від забруднення. На стадії проектування для обґрунтування вибору раціональних типів захисних екранів в залежності від складу ґрунтів, гідрологічних умов, динаміки підземних вод виникає необхідність у кількісній оцінці фільтраційних витрат через ці захисні екрани.

У даному розділі наводиться запропонований в роботі розв'язок інженерної задачі визначення витрат напору при проходженні фільтраційного потоку через екран. На основі цього рішення розроблена методика визначення витрат із облицьованих споруд в умовах підпірної фільтрації, що встановилася, з використанням методу фільтраційних опорів (МФО), а також проведена оцінка одержаних результатів шляхом зіставлення їх з експериментальними даними. Доведено, що при оцінці ефективності роботи споруд з екранами необхідно враховувати втрати напору при фільтрації через екрани, для визначення яких запропонована залежність:

h_зал (0, t_п ) = h_k - (h_k +), (13)

де м_n - корні трансцендентного рівняння, м_n = (2n-1), t_n - час промочування екрану, , де к_гр , к_об - коефіцієнти фільтрації ґрунту і екрану відповідно; ? - товщина екрану;

h_k - глибина води у відстійниках, n_об - пористість екрану.

Фільтраційні витрати із облицьованих споруд можуть бути розраховані з використанням методу фільтраційного опору, але при цьому необхідно враховувати додатковий опір Ф_обл., який виникає за рахунок екрану і залежить від конструкції і матеріалу. Для визначення цього опору пошукувачем пропонується формула

Ф_х = , (14)

де параметри - параметр, який залежить від співвідношень та товщини екрану і визначаються із наведених у дисертації графіків; Н_к - відстань від поверхні води у відстійнику до рі-вня ґрунтових вод; Т - середня проводимість водоносної товщі.

Результати розрахунків на отриманих залежностях добре співпадають з даними, отриманими на приладі ЕГДА 9/60.

У додатках наведено документи, що підтверджують практичне застосування отриманих результатів.

ВИСНОВКИ

1.Виконано аналіз з проведенням узагальнення існуючих моделей і методів розрахунку оцінок стану і прогнозу річкових басейнів для забезпечення достатнього рівня екологічної безпеки територій і акваторій. На підставі цього аналізу визначені методичні передумови і розроблена концепція комплексного прогнозу формування якості річкових вод у часі.

2.Створено наукові основи прогнозу формування якості водних ресурсів для визначення ризиків екологічної безпеки водних екосистем стосовно річкових басейнів.

3.Розроблені і реалізовані картографічні моделі техногенних факторів забруднення поверхневих вод з використанням даних дистанційного зондування Землі (ДЗЗ) і ГІС-технологій на регіональному та місцевому рівнях. Розроблений перелік завдань для оцінки стану, охорони та раціонального використання поверхневих вод при вирішенні яких можуть ефективно використовуватися результати дешифрування космічних знімків. В середовищі ГІС-платформи Arc View синтезовані моделі техногенного навантаження на поверхневі води Харківської та Полтавської областей: “Використання поверхневих вод Харківської області” та “Природоохоронна карта Полтавської області”. Відповідні ГІС впроваджені в ТВО “Харківкомунпромвод” та Державному управлінні екології і природних ресурсів Полтавської області. Остання картографічна модель була видана масовим тиражем - 3000 примірників і передана в місцеві органи самоврядування, державної влади, заклади освіти. Доведено, що моделі такого класу можуть використовуватися для розрахунку ризиків порушень екологічної безпеки на регіональному або локальному рівнях, а також для планування заходів по попередженню надзвичайних ситуацій та управління і координації ресурсами, залученими для їх ліквідації.

4.Розроблена і реалізована із застосуванням ДЗЗ та ГІС-технологій картографічна модель техногенного навантаження від дифузних джерел забруднення . Проведено аналіз просторового розподілу закономірностей формування поверхневого стоку, як фактору забруднення водних об'єктів. Синтезована картографічна модель дифузних джерел забруднення поверхневих вод Харківської області в масштабі 1:300000. Розроблені підходи побудови картографічних моделей із застосуванням ДЗЗ і ГІС-технологій лягли в основу аналізу ситуаційних схем в процедурах планування водоохоронних заходів.

5.На підставі проведеного аналізу побудована системна модель прогнозу екологічного стану річкових басейнів в залежності від рівня антропогенного навантаження на них. Проведена апробація моделі на прикладі Західних транскордонних річкових басейнів (рр. Латориця, Уж, Західний Буг). Проведені дослідження лягли в основу розробки рекомендацій щодо поліпшення екологічного стану басейнів транскордонних річок в межах України та удосконалення ведення моніторингових досліджень. Приведена методика підтримки прийняття рішень за допомогою ГІС-технологій та методика нормативно-пошукового прогнозу екологічного стану річкових басейнів.

6.Розроблена гідродинамічна модель розповсюдження забруднень у поверхневих водотоках в умовах надзвичайних ситуацій, обумовлених аварійними скидами стічних вод різного походження. Модель складається із двох взаємозв'язаних блоків: гідродинамічного і динаміки розповсюдження забруднень - рівняння для нестаціонарного руху рідини у відкритих водотоках. Розроблені алгоритми, які дають змогу вести розрахунок концентрації по декількох забруднювачах одночасно. На основі розроблених алгоритмів створена програма модульної структури, яка легко адаптується до конкретних реальних об'єктів.

7.Розроблені математичні моделі фільтрації підземних вод в складних гідрогеологічних умовах, які виступають основними чинниками забруднення водойм і водоносних горизонтів в районах хвостосховищ та складування твердих побутових відходів (ТПВ). На базі розроблених математичних моделей створені інженерні методи розрахунків для оцінки впливу забруднення басейнів річок ґрунтовими водами. Здійснено розрахунок виносу забруднення по запропонованій методиці на конкретному об'єкті в Черкаській області - комунальних очисних спорудах с. Пекарі Канівського району.

8.Розроблена і реалізована математична модель формування напружено-деформованого стану фільтруючих ґрунтових масивів для оцінки їх стійкості. Модель враховує рух рідини і наявні прошарки ґрунту та дозволяє робити оцінку щодо забезпечення гідродинамічної безпеки захисних дамб відстійників або хвостосховищ в умовах їх роботи з перемінним режимом.

9.Розроблена методика розрахунку виносу забруднення підземним стоком з екранованих хвостосховищ та відстійників з врахуванням геологічних та гідрологічних умов розташування об'єкту, конструкції протифільтраційного екрану. Отримані залежності мають добре узгодження з даними, отриманими на приладі ЕГДА 9/60.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ ІЗ ВИЗНАЧЕННЯМ ОСОБИСТОГО ВНЕСКУ ЗДОБУВАЧА

1. Яцик А.В., Бабенко Ю.О., Ревера О.З., Волошкіна О.С., Яковенко П.І. Підземні води. Соціально-економічне значення водних ресурсів. Проблеми збереження річок в умовах техногенного навантаження та інтенсифікації сільського господарства. Вплив господарських заходів на річковий стік // В кн. “Водне господарство в Україні.” За ред. А.В. Яцика, В.М. Хорєва. - К.: Генеза, 2000. - С. 100 - 129; С. 317 - 336. Здобувач приймав участь в аналізі і оцінці територіально-галузевого використання підземних вод та екологічного стану басейнів річок України.

2. Волошкіна О.С., Красовський Г.Я., Петросов В.А. Інформаційні моделі техногенних чинників забруднення поверхневих вод. Моніторинг процесів евтрофування водойм. Дифузні джерела забруднення поверхневих вод // В кн. Красовський Г.Я., Петросов В.А. “Інформаційні технології космічного моніторингу водних екосистем і прогнозу водоспоживання міст”. - К.: Наук. думка, 2003. - С. 85 - 100; С. 176 - 180; С. 182 - 183. Здобувачем сформовано методичні підходи до рішення і реалізації інформаційних моделей забруднення поверхневих вод, в т.ч. дифузними джерелами на місцевому і регіональному рівнях з використанням методів ДЗЗ і ГІС-технологій.

...