Екологічна безпека систем водопостачання міст: методологія вивчення та управління

Поняття "аварія на водних об'єктах", що використовується у Водному кодексі без визначення, трактується на стику двох процесів (рис. 4): шкідливої дії вод при руйнуванні гідротехнічних споруд із утворенням хвилі прориву та забруднення водних об'єктів у випадках залпового скидання шкідливих сполук від екологічно небезпечних підприємств і накопичувачів зворотної води.



Рис. 4. Схема виникнення аварійних ситуацій і ризику порушення водопостачання з поверхневих джерел

Відповідний ризик для системи водопостачання дорівнює добутку ймовірностей p? - виникнення негативних процесів у водному джерелі та p?? - уразливості системи (її неспроможності встояти перед небезпекою), помноженому на величину збитків від події S у вигляді можливих фінансово-економічних і соціальних втрат.

Надалі ретельно аналізується одне з принципових і поки що незавершених питань щодо удосконалення управління водними об'єктами. Показано, що виняткова орієнтація на басейновий принцип, що нині активно пропагується, методологічно не може вважатися абсолютно вірною та єдино правильною.

Географічна та екологічна цілісність крупних регіонів України визначально передбачає системний комплексний підхід до вирішення задач управління різними природоохоронними програмами і господарськими агломераціями.

Екологічна ситуація помітно варіюється по територіях, тому на базі їх типізації можна намічати основні напрямки регіональної політики у водогосподарському секторі, а також рух найрізноманітніших фінансових потоків, приділяючи особливу увагу неблагополучним районам з високою водоємністю господарства та низькою ефективністю використання води.

Виходячи з географічної нерозривності просторових утворень, управління використанням і охороною вод на таких територіях доцільно розглядати з точки зору погодженості двох взаємно доповнюючих підходів: басейнового, що склався по відношенню до природного розподілу водних об'єктів, і регіонального, що сформувався в результаті того чи іншого відокремлення території.

Це може бути не тільки адміністративно-територіальний розподіл країни, але й географічний - з окресленням характерних природоохоронних ознак, зон чи об'єктів, виробничий - з виділенням господарських комплексів за особливими небезпеками та екологічними ризиками, економічний - щодо регіонів народногосподарського значення тощо. Сюди ж відноситься і водогосподарське районування з поділенням басейну на крупні частини, водогосподарські райони, їх локальні ділянки. При цьому стрижневою основою, безумовно, залишається річка, а безпосереднє керівництво здійснюється басейновими органами за участі територіальних громад.

У загальній структурі управління розвитком комунального водного господарства окреслено самостійну систему стратегічного водогосподарського менеджменту (СВМ) - систему управління, що включає керовані процедури, процеси та ресурси для визначення пріоритетів і здійснення перспективної політики у водопостачанні. Для окремих підприємств СВМ зв'язаний з екологічним менеджментом у частині спеціального водокористування та додержання нормативів використання води.

З іншого боку, СВМ питного водопостачання виходить за рамки звичайного екологічного менеджменту для підприємств інших профілів спеціалізації і охоплює (рис. 5): на регіональному рівні - басейнову водогосподарську політику і водоохоронні заходи щодо забезпечення потрібного санітарно-гігієнічного та екологічного стану в питних джерелах; на муніципальному рівні - програми з поліпшення якості питної води, інженерну екологію міст, регулювання взаємовідносин між виробниками, постачальниками та виконавцями послуг з водопостачання; на об'єктному рівні - удосконалення використання води абонентами (нормування, обліку, економічного стимулювання) та ін.



Рис. 5. Сфера застосування СВМ у галузі питного водопостачання міст

Методологічна база сучасного водогосподарського менеджменту тільки зароджується.

Тому на цілісних комплексах і підприємствах водопостачання його формування пропонується починати з методичних підходів, викладених у міжнародних системних стандартах: екологічного менеджменту (ISO 14000), управління якістю продукції (ISO 9000), професійної безпеки і здоров'я (OHSAS 18000) - з виділенням водного фактора та оцінкою чинників підприємств, що впливають на здоров'я людей, міську інфраструктуру і довкілля.

У четвертому розділі "Форми оптимального управління ЕБВ" викладено результати досліджень із практичного регулювання ЕБВ відносно її зовнішньосистемної оболонки - на рівні водних об'єктів і міських територій.

Спираючись на системотехнічні закономірності (z2, z4, z5) та принципи (P5, P6), розглянуто селективний багаторівневий водозабір як форму управління ЕБВ залежно від вертикальної стратифікації якості води у водоймі.

Він дозволяє не тільки поліпшити склад і властивості питної води, але й мінімізувати скидання зворотної води з очисних споруд. Одночасно вирішуються економічні завдання щодо зниження витрат реагентів і споживання електроенергії на перекачування води.

Впровадження модернізованого ярусного водозабору в 2002 р. на водопровідному комплексі "Дніпро" дозволило вдвічі скоротити об'єм зворотної води та одночасно зменшити в ній вміст забруднюючих речовин (алюмінію, хлоридів, нітритів та ін.) і показник біохімічного споживання кисню.

Проведено також аналіз особливостей водовідведення з відстійника з урахуванням природного притоку води і допустимих скидань зворотної води у водоприймач.

Він дозволяє науково обґрунтувати фактичне навантаження комунальних підприємств на навколишнє середовище при водовідведенні.

Експериментально встановлено, що вміст більшості забруднюючих речовин у вихідній та зворотній воді на очисних спорудах практично не розрізняється (за винятком завислих речовин) і має загальні тенденції змінення з достатньо високими коефіцієнтами лінійної кореляції між показниками: r=0,91ч0,96.

Окремо представлено розроблений метод оптимального регулювання руслового стоку каскадом долинних транскордонних водосховищ, що відповідає принципам P5, P6. Головна його відзнака від існуючих методів полягає в спрямованості на вирішення багатокритеріальної оптимізаційної задачі: запобігання повеням в нижніх б'єфах і одночасне створення найбільш сприятливих умов щодо якості води у питних водозаборах - перш за все її каламутності, обумовленої поверхневим стоком.

Для модельних гідрографів Q(t) застосовано різні геометричні криві (двоввігнуті, біноміальні та ін.), параметри яких ідентифікуються за попередніми даними фактичних витрат води fn, n=0,N-1 методом найменших квадратів

.

Точність наближення гідрографів до реальних даних оцінюється по відхиленнях витрати -

Д=Qm-1max|f(t)-Q(t)|

та об'єму води під час повені tО[0,T],

де о=0,0864 - перевідний коефіцієнт одиниць вимірювань;

W, Qm - прогнози об'єму (млн. м³) і максимальної витрати води (^м3/с) повені;

f(t) - безперервна за часом функція, перетворена розкладанням fn в ряд Фур'є:

,

- аргумент комплексного числа ck, рад.; i - мнима одиниця.

Пропуск води на гідровузлах регулюється таким чином, щоб не допускати різких коливань її рівня в нижніх б'єфах, забезпечуючи такі умови скидання:

Qc(t,q?m)=min[q?m; Q(t)-Qo], ,

де Qo, q?m - меженна і оптимальна витрата води, що пропускається транзитом, м³/с.

З технічних причин функція Qc(t,q?m) не є безперервно диференційованою за часом (її похідна має точки розриву першого роду), тому для двох водосховищ додатково розв'язуються одномірні задачі мінімізації

|W-Wc(tm,qm)-Vo|>min по qm=q?m+Qo,

де Vo - вільна ємкість водойми перед початком сніготанення.|

Викладений підхід дозволяє оперативно вносити необхідне коректування в режими роботи гідроспоруд і звести до мінімуму негативні наслідки повені в створах питного призначення за рахунок регулювання транзитних витрат q?m води, що має порівняно добру якість після зимового льодоставу. Цей підхід упроваджено для регулювання наповнення Бєлгородського і Печенізького водосховищ.

На прикладі Краснопавлівського наливного водосховища визначено також оптимальну кратність водообміну

m=VП/V?=(V??+VС+VЗ)/V?-1

з встановленням емпіричних залежностей сольового складу від основних приходно-витратних характеристик водного балансу; V', V'' - об'єми заповнення водойми до і після поновлення води; VП, VС, VЗ - об'єми подачі, скидання в нижчий б'єф і забору води споживачами. Це створює передумови для внесення змін до технологічного регламенту роботи насосних станцій каналу Дніпро-Донбас з поліпшенням санітарно-гігієнічних умов для питного водопостачання.

Для картографічного моделювання розвитку небезпечних процесів у комунальному водному господарстві запропоновано використовувати спеціалізовані географічні інформаційні системи (ГІС). В їх основі лежать найголовніші атрибутивні бази даних: опорний блок - ліцензійні топографічні електронні карти України (М 1:500000) і тематичні шари, що характеризують екосистему поверхневих вод, природно-кліматичні умови, водокористувачів, полігони відходів, забрудненість ґрунтів, комунікації тощо. Карти доповнюють різноманітні характеристики водопровідних підприємств: схеми транспортування води, розташування екологічно небезпечних об'єктів хлорного господарства, забудова міст, просторова структура водоспоживання, інженерні мережі, ділянки їх підвищеної пошкоджуваності з впливом на довкілля і зміною мікробіологічних показників якості питної води та ін.

Практичне використання ГІС-технологій розглянуто для моніторингу поверхневих джерел питного водопостачання, прогнозування аварійного розповсюдження "хлорної хвилі" та розрахункових зон затоплення при можливих аваріях на екологічно небезпечних хлорвмісних або гідротехнічних спорудах водопровідних підприємств. На прикладі Харківської області складено методику синтезу інформаційно-довідкових моделей регіонального рівня на основі вихідної інформації в Arc/View-платформі, що є провідною в урядовій аналітичній системі з питань надзвичайних ситуацій.

Виходячи з теоретичних положень (p1, p2, p7, z4, P4, P8), для більш надійного виявлення забруднення водних об'єктів розроблено автоматичний пост безперервного спостереження за станом поверхневих вод АПБС-ПВ за реакцією біотест-об'єкта - культури зелених мікроводоростей Scenedesmus або Chlorella.

Для оцінці токсичності води використовується метод контролю процесів газообміну водоростей з оцінюванням їх функціональних показників (активності фотосинтезу і дихання), що вимірюються срібно-платиновим датчиком 24 по змінах у суспензії вмісту розчиненого кисню.

Функціонально пост складається з блоків: відбору та подачі води (1ч4), підготовки (5ч8, 17) і зберігання (21, 25, 26) проб, культиватора водоростей (10, 12, 18ч20), вимірювальної системи (9ч14, 22ч24), управління і комутації (15, 16), індикації та реєстрації результатів вимірювання, оповіщення і сигналізації. Дослідний зразок після випробування встановлено на Печенізькому водосховищі. Технічні можливості поста дозволяють його підключення до регіональної системи екологічного моніторингу.

У п'ятому розділі "Математичні моделі якості води в поверхневих джерелах водопостачання" розглянуто аналітико-статистичний підхід до моделювання процесів формування якості води для вирішення завдань щодо підвищення рівня ЕБВвх на вході систем, що відповідає методологічним засадам (z5, P5, P7). Головна спрямованість моделей полягає в їх використанні для управління складом і властивостями вихідної води в питних джерелах. Одночасно знімається протиріччя між складністю моделей та їх придатністю для застосовування в оптимізаційних задачах.

Неусталені процеси моделюються виходячи з гіпотези про можливість заміни одномірного диференціального рівняння поздовжньої дифузії в частинних похідних

еквівалентним комбінованим оператором у вигляді n однакових аперіодичних ланок із зосередженими параметрами - загальним запізнюванням ф і постійною часу Т (часу перехідного процесу), де C=C(x,t) - концентрація речовини, усереднена за поперечним перетином водного потоку, г/м³; x[0,l] - координата уздовж водотоку, м; t - час, с; v - швидкість руху води, м/с;

D - коефіцієнт поздовжньої дисперсії, м²/с; k? - коефіцієнт неконсервативності, с-1.

При заданій умові на лівій межі ділянки водотоку C(0,t)=C0(t)=1(t) перехідна функція h(t)=C(l,t) в створі x=l достатнього перемішування дорівнює

,

де , - додатковий інтеграл ймовірності, 1(t)={0,t0; 1,t>0} - асиметрична одинична функція.

Доведено, що при k=el(v-b)/2D нормовані перехідні функції h?(t)= h(t)/k і оцінюючого оператора задовольняють рівнянням і , звідки T=(l/b-ф)n-1.

Методом машинного експерименту на ЕВМ встановлено, що параметри апроксимуючого комбінованого оператора залежать від безрозмірної величини =ln(lb/D) і можуть обчислюватись за емпіричними формулами:

, ,

виходячи з умови мінімізації середньоквадратичної похибки

,

де n - ціла частина від n?, t1=arg{h?(t1)=0,01}, t2=arg{h?(t2)=0,99}.

У робочому діапазоні ц[2,6]: у2 %.

За умови C(0,t)1(t) розрахунковий процес визначається через згортку Стілтьєса

, де

- імпульсна перехідна функція оператора, u - допоміжний час інтегрування.

Описаний підхід дозволяє використовувати для дослідних і практичних задач добре розроблений апарат теорії систем автоматичного регулювання, зокрема, програмний продукт динамічного моделювання VisSim: D=5м²/с, v=0,1м/с, k?=210-6с-1, l=3км, b=0,1002м/с, =2,85год, T=0,42год, n=13, k=0,94, =4,1).

Усталені процеси формування якості води вивчаються на прикладі багатокомпонентних моделей. Компоненти - це окремі речовини або їх сполуки, що знаходяться в товщі води, в самостійних формах планктону (бактеріо-, фіто-, зоо-), у донних відкладеннях, у дощовій і сніговій воді поверхневого стоку тощо.

Хай i[1,I] індексує послідовну трансформацію компонентів, кожен з яких додатково перетворюється по Ji паралельних напрямках, J=Ji +1.

Визначення: а) Оборотний послідовно-паралельний процес трансформації компонентів P(I,J) -- почергове перетворення вихідного (i=1) та всіх проміжних (i>1) компонентів у будь-якому напрямку одночасно для всіх i[1,I] та j[1,J].

б) Підрівень p(I,J) процесу P(I,J) -- система взаємного масового обміну I компонентів між собою, іншими підрівнями і зовнішніми джерелами (рис. 15).

Досліджувана система диференціальних рівнянь для підрівня p(I,J) має вигляд

,

де - узагальнений коефіцієнт трансформації i-го компонента, с-1; x[0,l], м; Ci=Ci(x), г/м³; k?iu - дуальний коефіцієнт взаємної трансформації між парою i, u-х компонентів даного підрівня: k?iu=-k?ui, k?iu>0 при iu, k?iu<0 при ui, k?II+1= k?II, с-1;

q?i - інтенсивність привнесення i-го компонента із зовнішніх джерел, г/(м³с).

Аналітичне рішення системи для x=l визначається співвідношеннями:

Ci = C0iki + qifi + Bi, i=1, I,

,

, ,

, , ,

де - коефіцієнт консервативності; C0i=Ci(0); k??iu=k?iu/K?i - нормований (безрозмірний) дуальний коефіцієнт трансформації між парою i, u-х компонентів; i1, i2 - номери вузлів відповідно перед першою і після прикінцевої віддаленої вершини графа в z-у стовпці матриці взаємозв'язків brz.

Остання включає всі можливі послідовно-паралельні зв'язувальні безперервні ланцюжки від першого до I-го кінцевого компонента. Матриця синтезується "генератором взаємозв'язків" шляхом послідовного виключення спочатку будь-якого одного вузла графа 1<u<I, потім будь-якої пари незбіжних вузлів і так далі до видалення =I-2 вершин та збереження останнього короткого зв'язку з дугою k?1I.

Функції fi, Fir, Gir - випуклі, близькі до лінійних у широкому діапазоні мінливості ki і можуть бути замінені лінійними оцінками відносно ki:

f?i=мf+(1-мf)ki, F?ir=[мF+(1-мF)ki]·(1-kr), G?ir= мG(1+ki)(1-kr),

де мf, мF, мG - параметри, що задають кут нахилу ліній апроксимації і визначаються за емпіричними формулами:

мf?0,078•lnkr+0,5;

мF?0,068•lnkr+0,36;

мG?0,5(1- мf),

або дорівнюють: мf=0,37; мF=0,23; мG=0,32 - без прив'язки до коефіцієнта kr.

Вживання цих рівнянь дозволяє для кожного i-го компонента виділити коефіцієнт консервативності ki та представити модель таким чином:

C?i =ki[C0i+ qi(1-мf)+ Ur] + qiмf +Yr+ДCi, qi?q?i•l/v,

де величини Ur, Yr не містять ki і включають доданки, що залежать від параметрів компонентів r<i, у тому числі лінійно від концентрацій Cr. Адитивні параметри Ci сукупно характеризують неконтрольовані фактори і похибки моделювання в попередні моменти часу, що сприятиме здійсненню розрахунків в умовах обмеженості гідрохімічної інформації.

Для послідовної ідентифікації параметрів ki i Ci за даними натурних вимірювань у міру зростання індексу i придатні регресійні методи.

Результати оцінювання похибок моделювання I=6 компонентів із зовнішніми зв'язками q?i можна вважати прийнятними для виконання інженерних обчислювань.

Викладений підхід використовується надалі для моделювання перетворення азотовмісних компонентів, сумісної трансформації азот-фосфорних біогенних елементів, розчиненого кисню тощо з урахуванням досліджень Є.В. Єременка.

Усі моделі доведені до рівня аналітичних залежностей, уніфіковані, компактні, прості в експлуатації та процедурах ідентифікації, дозволяють маніпулювати їх складністю. Вони не є ідеальними (див. аксіому а3), але сповна придатні для вирішення задач оптимізації: від оперативного регулювання якості води у створах питного призначення до довгострокового планування водоохоронних заходів.

У шостому розділі "Практичні аспекти управління ЕБВ на внутрішньосистемному рівні" наведено результати досліджень прикладного напрямку, спрямовані на реалізацію моделі "НЕПв/с" на підставі теоретичних висновків (p3, p5, z2, z3, P1, P2, P6). Відмічено, що сучасні системи централізованого водопостачання є значними енергоємними об'єктами з огляду на кількість продукту, що переробляється та переміщується. Тому ефективне витрачання електроенергії потрібно розглядати як базовий складник їх загальної еколого-економічної безпеки.

Енергозбереження в таких системах є важливим, але не визначальним, оскільки може досягатися штучним зменшенням подачі води.

В основу оцінювання енергетичної ефективності покладено принципово новий підхід з обчислюванням її показника nf за відносною зміною питомої витрати електроенергії =W/Q у порівнянні з деякою базовою величиною щ0 (галузевим нормативом, фактичним значенням у попередній час тощо):

, ,

де W - споживання електроенергії, Q - витрата води, 0 і t - індекси часу.

Споживана електроенергія витрачається на виконання роботи з переміщення води: а) уздовж трубопроводів - на подолання гідравлічного опору; б) по вертикалі - на утворення потрібних напорів води. Отож галузевий показник енергоефективності функціонально пов'язаний з метричними характеристиками міст України:

,

де r - віддаленість джерел, км; S - площа території з централізованим водопостачанням, км²; d - середній діаметр мережі, м; h- різниця геодезичних відміток, м; в=ihiN?i - показник компактності проживання населення; N?i=Ni/N - частина людей, що проживають у будинках висотою hi.

Запропонований спосіб розрахунку дозволяє диференціювати структуру споживання електроенергії, оцінювати ефективність її витрачання в цілому по системах міст або їх окремих елементах, формувати і реалізовувати управлінські дії щодо оптимізації інтегрованого внутрішньосистемного показника "ККДв/с".

На прикладі системи групового водопостачання Харківської області виконано аналіз енергоефективності в порівнянні з 2002 р., а також водного балансу та структури використання води. Визначена основна складова непродуктивних витрат - втрати води в підсистемі подачі й розподілу (ПРВ) внаслідок ушкоджень на трубопроводах і прихованих витоків. Виявлено, що зі зменшенням технологічних витрат води норматив ПРВ збільшується на відміну від нормативу використання води. Тобто впровадження нових технологічних рішень призводить у балансі підприємства до зростання питомих втрат по системі ПРВ.

Технологічні нормативи використання води покладено в основу для розрахунку обсягів робіт з відновлення водопровідних мереж.

Щорічний середній приріст нормативних втрат води за перші m10 років дорівнює

,

де м, д, i - індекси підсумовування по матеріалах, діаметрах і термінах експлуатації водопровідних труб; q - нормативний витік води з нової труби, тис. м³/рік на 1 км; L - протяжність трубопроводів, км; n - фактичний час їх експлуатації, рік; - коефіцієнт збільшення витоків води.

Довжина зношених мереж, що відновлюються, визначається інверсійним переходом , nср=iniLi/L. Допустимі витоки q беруться окремо по кожному матеріалу труб на їх середній діаметр чи усереднюються для усіх труб по протяжності qср=мqмLм/L на середній діаметр мережі

.

Розділення сумарної протяжності Lo відновлення мережі, наприклад по чавуну, здійснюється через фізичні об'єми (м³) труб

.

Розроблений метод дозволяє здійснювати реконструкцію водопровідних мереж з мінімальною довжиною, що гарантує зменшення втрат води, запобігає руйнуванню водопровідної системи і сприятиме забезпеченню належного рівня ЕБВ.

Результати розрахунків для м. Харкова при m=5, kn=31 наведено в табл. 3.

Поки відновлення мереж не досягне розрахункових показників, система ПРВ за технічними критеріями стійкості виходитиме за межі можливої стабілізації, входячи в зону руйнівного ризику. Збільшення ефекту з оптимізацією витрат дає адресна перекладка трубопроводів на найбільш аварійних їх ділянках.

Таблиця 3

Нормативно-розрахункове відновлення водопровідних мереж м. Харкова

Показники	Матеріали труб	Усі мережі
	Чавун	Сталь	Інші
Протяжність водопровідних мереж L, км	1499,2	451,2	4,6	1955,0
Середній вік nср, рік	42,7	35,2	16,8	41,0
Середній діаметр dср, м	0,272	0,774	0,682	0,443
Об'єм трубопроводів V, тис. м3	87,4	212,1	1,7	301,2
Зростання нормативних втрат води Q, тис. м3/рік	984,9	576,0	1,6	1562,5
Нормативно-допустимий витік q з нових труб середнього діаметра, тис. м3/рік на 1 км	0,8494	0,7027		0,96451
Мінімальна протяжність відновлення мереж: Lo на середній діаметр по матеріалах, км/%	37,4 2,5	26,4 5,9
L?o на середній діаметр усієї мережі, км/%	7,8 0,52	44,5 9,9		52,3 2,7

Примітки:

1. Усереднений витік qср питомою вагою по довжині сталевих і чавунних труб dср=0,44 м.

2. В частках від сумарного обсягу відновлення мережі.

У додатках наведено допоміжні таблиці, програмно-ілюстративні форми комп'ютерного моделювання і ГІС-технологій, а також документи щодо впровадження результатів роботи та зазначення особистого внеску здобувача в наукові праці, опубліковані зі співавторами.

Висновки

Дисертація є закінченою науково-дослідною роботою. В ній наведено теоретичне узагальнення та нове розв'язання наукової проблеми забезпечення екологічної безпеки систем господарсько-питного водопостачання міст (ЕБВ) і розроблено форми оптимального управління нею із застосуванням математичних моделей, інформаційних технологій та найкращих доступних технічних рішень.

1. Створено науково-методологічні передумови ЕБВ із формулюванням постулатів, принципів, визначень і системотехнічних ознак.

Запропонована аксіоматика визначає ключові поняття про евентуальну небезпеку діяльності з питного водопостачання, недосягнення абсолютної сталості водопостачальних систем, їх екологічні протиріччя тощо.

2. З еколого-системних позицій розроблено теоретичні основи ЕБВ як дуальної взаємопов'язаної проблематики щодо впливу природно-техногенних факторів на водопостачання та зворотної дії самого водопостачання на людину і довкілля.

Сформовано поняттєво-термінологічну базу безпеки водопостачання з визначенням технічної і санітарно-гігієнічної безпеки, ЕБВ на вході й виході системи в інтерпретації приймача і джерела небезпеки. Для їх оцінки введено інтегровані системоутворюючі параметри "ККДв/с" і "ВВПв/с". Перший характеризує ступінь технологічного підтримання якості, подачі і тиску води на внутрішньосистемному рівні, другий - небажані наслідки впливу систем комунального водопостачання на довкілля.

3. Сформульовано методологічні принципи і системотехнічні закономірності екологічно безпечного функціонування та збалансованого розвитку водопостачальних систем як великих складних інженерних інфраструктур.

Наведено системне уявлення про можливі взаємні впливи комплексів водопостачання, населення, водних і техногенних об'єктів.

4. Методом агрегування подібних елементів виділено головні об'єкти забезпечення ЕБВ: джерела водопостачання, споруди кондиціонування води, підсистеми її подачі та розподілу, гідротехнічні споруди і хлорне господарство - як екологічно небезпечні об'єкти. На зовнішньосистемному рівні ЕБВ на вході системи розглядається як цільовий результат інтегрованого регіонально-басейнового управління водними об'єктами та охороною вод.

5. Визначено напрямки оптимального регулювання ЕБВ і еколого-господарчого удосконалення водопостачання в розвитку міст: поетапне зменшення потужностей і подачі води, мінімізація її втрат при транспортуванні, стабільне енергозабезпечення для відвертання аварійних подій на гідроспорудах і об'єктах хлорного господарства.

Розроблено принципово новий підхід щодо оцінки еколого-енергетичної ефективності систем централізованого водопостачання з визначенням показників відносній зміні питомих витрат електроенергії на один кубічний метр води, що рекомендується до впровадження на водопостачальних підприємствах України.

Управління екологічно безпечним (відтворним) розвитком комунального водного господарства міст запропоновано здійснювати шляхом поширення методологічної бази стратегічного водогосподарського менеджменту. Його формування на окремих підприємствах рекомендується починати з впровадження системи міжнародних стандартів серій ISO 14000, ISO 9000, OHSAS 18000.

6. Розроблено аналітико-статистичні багатокомпонентні моделі зміни якості води в джерелах водопостачання. Вони пристосовані для оперативного управління якістю води, а їх структури забезпечують прості процедури ідентифікації параметрів за даними натурних спостережень. Алгоритми моделювання реалізовано в програмно-математичних середовищах MathCAD-12, VisSim та впроваджено для вирішення оптимізаційних водоохоронних задач у басейні р. Сіверський Донець.

Побудовано математичну модель адвективно-дисперсійного переносу речовин у водотоках у вигляді оператора із зосередженими параметрами - набору аперіодичних ланок 1-го порядку. Для обчислення параметрів одержано універсальні емпіричні залежності з похибкою апроксимації перехідних функцій не більше як 2%.

7. Запропоновано метод визначення обсягів робіт з реконструкції водопровідних мереж з урахуванням складу трубопроводів за їх діаметрами, матеріалами і термінами експлуатації.

Він не має аналогів, знайшов практичне застосування під час обґрунтування стратегії відновлення трубопроводів водопостачальних підприємств і дозволяє зменшити їх вплив на підтоплення міських територій. Наприклад, по м. Харкову розрахункове відновлення мереж складає 52,3 км/рік (з них 85% сталевих), що збігається з експертними оцінками на підставі аналізу аварійності комунікацій.

8. Досліджено вплив ярусних водозабірних конструкцій на якісний і кількісний склад зворотної води, що відводиться від очисних споруд водопідготовки.

Застосування технічних рішень, викладених в патентах України 54966А і 71706А, щодо багаторівневого водозабору на водопровідному комплексі "Дніпро" дозволило вдвічі знизити об'єм зворотної води (з 5,1 до 2,5 млн м³/рік) і одночасно зменшити концентрації забруднюючих речовин на 10-25%.

9. Емпіричним шляхом встановлено залежність якості вихідної води у питних водозаборах від режиму роботи каналу Дніпро-Донбас. Проведені дослідження покладено в основу запропонованої системи заходів щодо поліпшення екологічного стану Краснопавлівського водосховища з визначенням оптимальної кратності m=0,70,9 водообміну по загальній мінералізації, сульфатах і жорсткості води.

10. Розроблено гідрологічні моделі оптимального регулювання руслового стоку каскадом водосховищ з метою забезпечення найбільш сприятливих умов водокористування на питних водозаборах. Вони практично застосовані у процесі пропускання транскордонних вод у Бєлгородському і Печенізькому водосховищах.

11. На прикладі Харківської області розроблено і реалізовано картографічні моделі техногенного навантаження на довкілля із застосуванням ГІС-технологій - для моніторингу і прогнозування небезпечних процесів, пов'язаних із роботою комплексів водопостачання.

В їх основу покладено базову інформацію в системі Arc/View-платформи і тематичні шари, що характеризують екосистему поверхневих вод, аварійне розповсюдження "хлорної хвилі" від об'єктів водопостачання, зони можливого затоплення внаслідок руйнування відомчих гідротехнічних споруд та ін.

12. З метою забезпечення ЕБВ (на вході системи) розроблено та впроваджено технічний засіб контролю за станом поверхневих вод у вигляді автоматичного поста, працюючого на принципах біотестування загальної токсичності води шляхом реєстрації активності фотосинтезу і дихання зелених водоростей Scenedesmus і Chlorella.

Результати досліджень впроваджено у містах Чернівці, Слов'янськ, Запоріжжя, Харків, Луцьк, Дніпродзержинськ, Херсон, Бєлгород. Наукова цінність роботи полягає в розробці і реалізації методологічно обґрунтованого підходу до аналізу формування небезпеки та управління екологічною безпекою систем водопостачання, а практична цінність - у можливості використання здобутих результатів у різних регіонах країни.

Список опублікованих праць за темою дисертації

Наукові монографії

Василенко С.Л. Законы водоснабжения. - Х.: ИД "Райдер", 2006. - 80 с.

Василенко С.Л. Экологическая безопасность водоснабжения. - Х.: ИД "Райдер", 2006. - 320 с.

Василенко С.Л., Оленюк М.И. Моделирование качества воды в водотоках. - Х.: Основа, 2006. - 232 с.

Статті у наукових фахових виданнях України з технічних наук

Василенко С.Л. Аксиоматика питьевого водоснабжения: экологический аспект // Екологія і ресурси. - К.: ІПНБ, 2006. - Вип. 14. - С. 55-65.

Василенко С.Л. Анализ и управление использованием воды в системах группового питьевого водоснабжения // Вісн. Одеської державної академії будівництва та архітектури. - Одеса: Астропринт, 2003. - Вип. 11. - С. 88-93.

Василенко С.Л. Влияние режима работы наливного водохранилища на качество воды // Екологія і ресурси. - К.: УІНСіР, 2003. - Вип. 5. - С. 158-161.

Василенко С.Л. Законы водоснабжения как технической системы. Часть вторая. // Вісн. НТУ "ХПІ". - Х.: ХПІ, 2006. - №11. - С. 95-98.

Василенко С.Л. Законы водоснабжения как технической системы. Часть третья. // Вісн. НТУ "ХПІ". - Х.: ХПІ, 2006. - №13. - С. 130-134.

Василенко С.Л. Использование воды в системах хозяйственно-питьевого водоснабжения // Коммунальное хозяйство городов. - К.: Техніка, 2004. - Вып. 58. - С. 55-61.

Василенко С.Л. Критерии эффективности математического моделирования // Вісн. НТУ "ХПІ". - Х.: ХПІ, 2004. - №18. - С. 13-16.

Василенко С.Л. Метод расчета объемов реконструкции технически изношенных водопроводных сетей // Наук. вісн. будівництва. - Х.: ХДТУБА, 2003. - Вип. 21. - С. 134-140.

Василенко С.Л. Модели взаимосвязи показателей качества поверхностных и сточных вод // Вісн. НТУ "ХПІ". - Х.: ХПІ, 2004. - №13. - С. 47-56.

Василенко С.Л. Моделирование последовательной трансформации веществ в водотоках // Екологія і ресурси. - К.: УІНСіР, 2003. - Вип. 7. - С. 56-64.

Василенко С.Л. Моделирование процесса диффузии растворенных веществ в водотоке апериодическими звеньями // Інтегровані технології та енергозбереження. - 2003. - №2. - С. 63-70.

Василенко С.Л. Моделирование процессов последовательно-параллельной трансформации веществ для решения задач оптимизации в области охраны вод // Інтегровані технології та енергозбереження. - 2004. - №1. - С. 104-110.

Василенко С.Л. Моделирование переноса веществ в водотоке комбинированным оператором с сосредоточенными параметрами // Екологія і ресурси. - К.: ІПНБ, 2005. - Вип. 12. - С. 90-94.

Василенко С.Л. Моделирование процесса диффузии веществ в водотоке дискретными передаточными функциями // Вісн. НТУ "ХПІ". - Х.: ХПІ, 2005. - №25. - С. 69-76.

Василенко С.Л. Моделирование совместной трансформации биогенных элементов и растворенного кислорода для прогнозирования качества воды // Інтегровані технології та енергозбереження. - 2004. - №3. - С. 59-63.

Василенко С.Л. Нормативы использования воды в системах группового хозяйственно-питьевого водоснабжения // Наук. вісн. будівництва. - Х.: ХДТУБА, 2003. - Вип. 21. - С. 143-147.

Василенко С.Л. Об одной балансовой модели формирования качества воды в водотоках // Вісн. НТУ "ХПІ". - Х.: ХПІ, 2005. - №26. - С. 11-18.

Василенко С.Л. Оптимизация пропуска половодий через каскад трансграничных водохранилищ для обеспечения питьевого водоснабжения в нижнем бьефе // Екологія і ресурси. - К.: ІПНБ, 2004. - Вип. 9. - С. 52-59.

Василенко С.Л. Оценка влияния естественного притока воды в отстойник сточных вод на характеристики их сброса в водный объект // Наук. вісн. будівництва. - Х.: ХДТУБА, 2004. - Вип. 29. - С. 136-144.

Василенко С.Л. Оценочные показатели энергоэффективности систем централизованного водоснабжения // Інтегровані технології та енергозбереження. - 2005. - №3. - С. 89-94.

Василенко С.Л. Питьевое водоснабжение в структуре водного хозяйства // Наук. вісн. будівництва. - Х.: ХДТУБА, 2006. - Вип. 36. - С. 126-133.

Василенко С.Л. Приоритетные показатели для моделирования и качественной оценки состояния поверхностных вод // Наук. вісн. будівництва. - Х.: ХДТУБА, 2004. - Вип. 27. - С. 107-113.

Василенко С.Л. Регионально-бассейновое управление использованием и охраной поверхностных вод // Екологія і ресурси. - К.: ІПНБ, 2004. - Вип. 10. - С. 82-90.

Василенко С.Л. Статистическое моделирование трансформации азотосодержащих компонент в водотоках для задач охраны вод // Інтегровані технології та енергозбереження. - 2004. - №2. - С. 120-124.

Василенко С.Л. Централизованное водоснабжение городов в контексте сложных водохозяйственных систем // Наук. вісн. будівництва. - Х.: ХДТУБА, 2006. - Вип. 37. - С. 115-121.

Василенко С.Л. Экологическая безопасность водоснабжения: концептуальные положения // Проблеми охорони навколишнього природного середовища та екологічної безпеки / УкрНДІЕП. - Х.: ВД "Райдер", 2005. - С. 174-184.

Василенко С.Л. Экологические аспекты нормирования использования воды в системах питьевого водоснабжения // Наук. вісн. будівництва. - Х.: ХДТУБА, 2005. - Вип. 32. - С. 146-156.

Василенко С.Л. Эколого-хозяйственные аспекты технического водоснабжения крупных городов // Наук. вісн. будівництва. - Х.: ХДТУБА, 2004. - Вип. 26. - С. 40-50.

Василенко С.Л., Волошкіна О.С., Красовський Г.Я. Моделі якості води, зумовленої транскордонним переносом забруднюючих речовин у водотоках // Екологія і ресурси. - К.: УІНСіР, 2003. - Вип. 5. - С. 98-105.

Василенко С.Л., Волошкина Е.С., Красовский Г.Я., Трофимчук А.Н. Регулирование стока половодий для обеспечения питьевого водоснабжения // Екологія і ресурси. - К.: УІНСіР, 2003. - Вип. 6. - С. 82-86.

Василенко С.Л., Кобылянский В.Я., Колотило В.Д., Павленко В.Ф. Менеджмент эколого-технической безопасности систем питьевого водоснабжения // Наук. вісн. будівництва. - Х.: ХДТУБА, 2004. - Вип. 28. - С. 54-60.

Василенко С.Л., Колотило В.Д. Взаимовлияние водонесущих коммуникаций и подтопления урбанизированных территорий как проблема экологической безопасности водоснабжения городских агломераций // Екологія довкілля та безпека життєдіяльності. - 2006. - №2. - С. 63-70.

Василенко С.Л., Колотило В.Д., Паболков В.В. Повышение технического ресурса систем питьевого водоснабжения // Наук. вісн. будівництва. - Х.: ХДТУБА, 2006. - Вип. 38. - С. 236-239.

Василенко С.Л., Павленко В.Ф. Влияние селективного водозабора из водохранилища на отведение сточных вод от систем водоподготовки // Наук. вісн. будівництва. - Х.: ХДТУБА, 2005. - Вип. 30. - Т. 2. - С. 41-47.

Кобылянский В.Я., Максимова Е.Э., Колотило В.Д., Василенко С.Л. Повышение информативности индикаторных микробиологических показателей качества воды // Вісн. НТУ "ХПІ". - Х.: ХПІ, 2005. - №27. - С. 19-22.

Кобылянский В.Я., Петросов В.А., Максимова Е.Э., Василенко С.Л. Моделирование отклика биосистемы водораспределительной сети на повреждающее воздействие // Інтегровані технології та енергозбереження. - 2005. - №2. - С. 69-72.

Петросов В.А., Агаджанов Г.К., Василенко С.Л., Кобылянский В.Я. Эколого-экономическая безопасность хозяйственно-питьевого водоснабжения // Коммунальное хозяйство городов. - К.: Техніка, 2004. - Вып. 55. - С. 9-19.

Петросов В.А., Василенко С.Л., Колотило В.Д., Паболков В.В. Энергообеспечение в общей структуре эколого-экономической безопасности водоснабжения // Наук. вісн. будівництва. - Х.: ХДТУБА, 2004. - Вип. 28. - С. 47-54.

Петросов В.А., Василенко С.Л., Красовский Г.Я. Информационное обеспечение питьевого водоснабжения из поверхностных источников на основе ГИС-технологий // Коммунальное хозяйство городов. - К.: Техніка, 2003. - Вып. 53. - С. 15-20.

Статті у наукових журналах і збірниках

Василенко С.Л. Водные ресурсы и безопасность водоснабжения Харьковщины // Вода і водоочисні технології. - 2006. - №4. - С. 40-42.

Василенко С.Л. Математическое моделирование процесса турбулентной диффузии в водотоках передаточными функциями САР // Водное хозяйство России. - 2005. - Т. 7, №4. - С. 346-358.

Василенко С.Л. Екологічна безпека водопостачання: основні принципи // Екологічна безпека: проблеми і шляхи вирішення / УкрНДІЕП. - Х.: ВД "Райдер", 2005. - Т. 1. - С. 251-256.

Василенко С.Л. Региональные и национальные особенности экологической безопасности питьевого водоснабжения // Сучасні проблеми екологічної та техногенної безпеки регіонів. - Х.: УЦЕБОПнафтогаз, 2006. - С. 116-121.

Василенко С.Л. Социально-экологический риск аварий на накопительных и гидротехнических сооружениях // Экология и здоровье человека. Охрана водного и воздушного бассейна. - Х.: ИД "Райдер", 2004. - С. 170-175.

Василенко С.Л. Статистическое моделирование последовательной трансформации веществ в водотоках с непрерывными источниками вдоль потока // Проблеми охорони навколишнього природного середовища та екологічної безпеки / УкрНДІЕП. - Х.: Факт, 2004. - С. 54-66.

Василенко С.Л. Централизованное водоснабжение городов как макрокомпонент водного хозяйства // Водное хозяйство России. - 2006. - №3. - С. 55-64.

Василенко С.Л. Энергоэффективность систем водоснабжения // Экология и здоровье человека. Охрана водного и воздушного бассейна. - Х.: УкрВОДГЕО, 2005. - С. 609-615.

Петросов В.А., Василенко С.Л. Проблемы экологической безопасности питьевого водоснабжения г. Харькова // Регион. Экологическая безопасность Северского Донца. - Х.: ИД "ИНЖЭК", 2003. - С. 61-64.

Петросов В.А., Василенко С.Л., Красовский Г.Я. Опыт разработки и использования ГИС-технологий в задачах управления водоснабжением в Харьковской области // Регион. Экология Сев. Донца. - Х.: Бизнес Информ, 2001. - С. 41-43.

Патенти

Спосіб відбору води із водосховища для водопровідної насосної станції першого підйому: Пат. 71706А України, МПК 7 E03B9/00 / Чорний А.П., Петросов В.А., Кузуб В.С., Ковирін В.О., Моісеєнко А.Б., Василенко С.Л. - №2003065900; Заявл. 25.06.03; Опубл. 15.12.04, Бюл. №12. - 6 с.

Спосіб забору води з водосховища для водопровідної насосної станції першого підйому та пристрій для його здійснення: Пат. 54966А України, МПК 7 E03B5/00 / Чорний А.П., Петросов В.А., Кузуб В.С., Василенко С.Л. - №2002064536; Заявл. 04.06.02; Опубл. 17.03.03, Бюл. №3. - 6 с.

Размещено на Allbest.ru

...