СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ФОНОВЫХ КОНЦЕНТРАЦИЙ ВЕЩЕСТВ В БОЛОТНЫХ ВОДАХ Российский патент 2015 года по МПК G01W1/00 

Изобретение относится к экологии и охране окружающей среды, включая защиту водных объектов от загрязняющих веществ, а также к гидрохимии болот; может быть использовано при определении допустимых концентраций загрязняющих веществ в сточных водах, сбрасываемых в болота и внутриболотные озера, для нормирования антропогенного воздействия на водные объекты.

Известна методика оценки допустимых сбросов загрязняющих веществ (ЗВ) в водотоки и водоемы (озера, водохранилища, моря) [Методика разработки нормативов допустимых сбросов веществ и микроорганизмов в водные объекты для водопользователей. Утв. Приказом МПР России от 17.12.2007 г. №33. - М.: Министерство природных ресурсов России, 2007. - 37 с.] на основе сравнения концентраций веществ: 1) предельно допустимых (ПДК); 2) фоновых концентраций веществ в водотоках и водоемах (С_ф), концентрациях в сточных водах, сбрасываемых в водотоки и водоемы (С_ст).

Сущность метода определения допустимого сброса ЗВ (ДС) в водоток или водоем заключается в умножении значений расхода сточных вод (q_ст) на допустимую концентрацию вещества в сточных водах (С_ст.дк):

где n - кратность разбавления сточных вод; k_C - константа самоочищения; τ - время добегания водных масс от источника загрязнения до контрольного створа. Фоновые концентрации веществ в воде водотоков определяются согласно [РД 52.24.622-2001. Проведение расчетов фоновых концентраций химических веществ в воде водотоков. - М.: Гидрохимический инститкт Федеральной службы России по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды, 2001. - 68 с.]. По состоянию на 01.03.2013 г. на уровне Российской Федерации утвержденные методики определения фоновых концентраций веществ в болотных водах и допустимого сброса веществ в болота отсутствуют. Есть лишь в части: 1) определения фоновых концентраций веществ в болотных водах - руководство по проведению гидрометрических и гидрохимических наблюдений на болотах на сети станций Росгидромета [Наставление гидрометеорологическим станциям и постам. Вып.8. Гидрометеорологические наблюдения на болотах. - Л.: Гидрометеоиздат, 1990. - 360 с.]; 2) определения допустимых сбросов загрязняющих веществ в болота - 2.1) разработки Российского научно-исследовательского института водного хозяйства Министерства природных ресурсов и экологии России (РосНИИВХ, г.Екатеринбург) в виде научных публикаций и производственных отчетов (например, в [Носаль А.П. Оценка самоочищающей способности болот и ее использование при нормировании // Водное хозяйство России. 2002. Т.4. №4. С.308-323]); 2.2) региональный документ «Временные методические указания по проведению расчетов фоновых концентраций веществ в болотных водах и предельно допустимых сбросов (ПДС) вредных веществ в болота со сточными водами», подготовленный в ОГУП «Томскгеомониторинг» (г.Томск) и МУП «Стрежевой комхоз» (г.Стрежевой, Томская область) О.Г. Савичевым, С.Ю. Краснощековым и Л.В. Ковалевой (утверждены Приказом ГУПР и ООС по Томской области №0533/з от 23.07.2003 г.). Однако эти разработки не соответствуют существующей нормативной базе в области охраны окружающей среды (положения действующего Водного кодекса о том, что болото - поверхностный водный объект), современной структуре органов охраны природы, не позволяют оценить фоновые концентрации веществ в болотах разного типа и допустимые концентрации веществ, поступающих в эти болота со сточными водами.

Под фоновой концентрацией понимается концентрация, рассчитываемая применительно к данному источнику примесей в фоновом створе водного объекта при расчетных гидрологических условиях и с учетом всех источников примесей, кроме рассматриваемого. На практике за фоновую концентрацию вещества С_ф, согласно [РД 52.24.622-2001. Проведение расчетов фоновых концентраций химических веществ в воде водотоков. - М.: Гидрохимический институт Федеральной службы России по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды, 2001. - 68 с.], принимается статистически обоснованная верхняя доверительная граница среднего содержания этого вещества, вычисленная с доверительной вероятностью 95% по результатам гидрохимических наблюдений в створе, расположенном выше по течению от выпуска сточных вод (для больших и средних рек в 1 км выше по течению от источника загрязнения, для малых - в 500 м):

где Z_α - критическое значение коэффициента Стьюдента при уровне значимости α=5%; М - длина ряда гидрохимических наблюдений; С_ср - среднее арифметическое значение концентрации вещества в водном объекте в период года, наиболее неблагоприятный с точки зрения самоочищения; σ_С - среднее квадратическое отклонение концентрации вещества (при наличии связи концентрации вещества в воде С и расхода речных вод Q величины С_ср и σ_С рассчитываются по восстановленному ряду с помощью регрессионных зависимостей С=ƒ(Q)).

Недостатки метода определения допустимых концентраций веществ в сточных водах заключаются в следующем:

1) простота модели (2) исчезает при попытке учесть с помощью многочисленных коэффициентов разнообразные природно-техногенные условия, наблюдаемые на реальных водных объектах, а изменение концентраций веществ далеко не всегда может быть описано уравнением смешения сточных вод и вод приемника стоков;

2) нет утвержденной методики определения кратности разбавления сточных вод в болоте; даже для водотоков и водоемов (озер, водохранилищ, морей) метод ограничен значениями С_ф<ПДК; при значениях С_ф>ПДК принимают С_ст.дк=ПДК, поскольку нет методики, позволяющей доказать, что повышенный относительно ПДК фон - природный; но в болотных водах по определению всегда повышенный уровень содержания органических веществ и продуктов их трансформации (согласно [ГОСТ 21123-85. Торф. Термины и определения. - М.: Изд-во стандартов, 1988. - 62 с.], торф - «органическая горная порода, образующая в результате отмирания и неполного распада болотных растений в условиях повышенного увлажнения при недостатке кислорода и содержания не более 50% минеральных компонентов на сухое вещество»);

3) нет регламентированного способа определения фоновых концентраций вещества в болотных водах;

4) при использовании методик, разработанных для водотоков и водоемов, не учитываются гидрохимические условия болот по трофности болотной растительности (олиго-, мезо- и евтрофный типы; подтипы лесной, лесо-топяной, топяной), типу торфа (верховой, переходный, низинный) и преобладающей торфяной залежи (верховая, переходная, смешанная, низинная), геоморфологии (болото /торфяное месторождение: пойменное, надпойменных террас, склонов надпойменных террас, водораздельное, моренных равнин, проточных котловин, сточных котловин).

Задачей изобретения является: разработка способа измерения фоновых концентраций веществ в болотных водах и определения допустимых концентраций веществ в сточных водах, сбрасываемых в болота, на основе данных государственного и локального экологического мониторинга водных объектов.

Описание сущности изобретения:

Способ измерения фоновых концентраций веществ в болотных водах основан на определении верхнего предела среднего геометрического значения концентрации вещества в болотных водах для однородных участков болота, в которые непосредственно поступают сточные воды, но за пределами зоны влияния выпуска сточных вод. Фоновые концентрации веществ в болотных водах измеряются отдельно для окрайки (полосы на границе болота с глубинами торфяной залежи между нулевой глубиной торфа и средней на участке от края болота до максимальной высотной отметки поверхности болота) и однородных (по преобладающему болотному фитоценозу и геоморфологическому положению) участков болота. Способ измерения допустимых концентраций веществ в сточных водах, сбрасываемых в болота, заключается в определении концентрации вещества в сточных водах С_ст.дк на основе сравнения двух выборок объемом М в условно фоновом (С_ф) и нарушенном (C_r) состояниях для такого уровня антропогенного воздействия на водный объект, при котором его состояние существенно не меняется. Для измерения допустимых концентраций веществ в сточных водах, сбрасываемых в болота, и фоновых концентраций веществ в болотных водах используются данные государственного и локального экологического мониторинга. Пункты гидрохимических наблюдений устанавливаются: 1) для определения фоновых концентраций - на окрайке болота и на каждом однородном (по болотному фитоценозу и геоморфологическому положению) участке болота за пределами радиуса влияния выпуска сточных вод; 2) для контроля - не менее чем в двух пунктах по контуру стекания болота на расстоянии не далее 500 м от выпуска сточных вод.

Сущность изобретения заключается в следующем.

1. Процесс переноса загрязняющих веществ в болотных водах рассматривается преимущественно как процесс геомиграции в деятельном горизонте болота на основе анализа упрощенного уравнения переноса вещества в водном объекте без устойчивых однонаправленных течений.

Согласно [ГОСТ 19179-73. Гидрология суши. Термины и определения. - М.: Изд-во стандартов, 1988. - 47 с.], деятельный горизонт болота - это «слой активного водообмена в болоте, являющийся переходным от торфяной залежи к поверхности живого растительного мохового покрова и моховых и древесно-моховых микроландшафтах или к поверхности плотных сплетений корневищ в травяной, тростниковой, древесно-травяной и древесной группах микроландшафтов». В соответствии с данным определением именно в деятельном горизонте происходит основное перемещение болотных вод (из-за малых значений коэффициента фильтрации в ниже расположенном инертном горизонте), что позволяет проводить расчет допустимых сбросов загрязняющих веществ именно в деятельный горизонт, следовательно, - расчет фоновых концентраций веществ в болотных водах выполняется также для деятельного горизонта болота. Глубина деятельного горизонта устанавливается, согласно [Иванов К.Е. Водообмен в болотных ландшафтах. - Л.: Гидрометеоиздат, 1975. - 280 с], «равной расстоянию от поверхности болота до среднего многолетнего минимального уровня болотных вод, наблюдающегося в теплый сезон года» при наличии данных многолетних наблюдений за уровнями болотных вод (не менее одного цикла многоводных и маловодных лет; наблюдения за уровнями болотных вод выполняются в соответствии с требованиями [Наставление гидрометеорологическим станциям и постам. Вып.8. Гидрометеорологические наблюдения на болотах. - Л.: Гидрометеоиздат, 1990. - 360 с.]). При отсутствии данных наблюдений глубина деятельного горизонта определяется для каждого болотного фитоценоза по литературным данным (например, по данным [Иванов К.Е. Водообмен в болотных ландшафтах. - Л.: Гидрометеоиздат, 1975. - 280 с.]).

2. Выделяется окрайка болота (полоса на границе болота с глубинами торфяной залежи между нулевой глубиной торфа и средней на участке от края болота до максимальной высотной отметки поверхности болота).

Необходимость выделения окрайки обусловлена различным химическим составом болотных вод и условиями его формирования в переходной полосе на границе болота (окрайке) и в основной части болота, под которым, согласно [ГОСТ 19179-73. Гидрология суши. Термины и определения. - М.: Изд-во стандартов, 1988. - 47 с.], понимается «природное образование, занимающее часть земной поверхности и представляющее собой отложения торфа, насыщенные водой и покрытые специфической растительностью». При определении границ окрайки выделяется три группы болот:

1) большие болота со значительной амплитудой колебания глубин (за пределами диапазона глубин, удовлетворяющих условию 5), выпуклой поверхностью болота и стоком воды с выпуклой части болота на границу болота и суходола, в реку или внутриболотное озеро;

2) большие болота со значительной амплитудой колебания глубин (за пределами диапазона глубин, удовлетворяющих условию 5), с плоской или вогнутой поверхностью болота и преимущественным стоком с суходола в болото, в том числе для болот в поймах и на надпойменных террасах;

3) малые болота с незначительной амплитудой колебания глубин (в пределах диапазона глубин, удовлетворяющих условию 5):

где Z_α - критическое значение коэффициента Стьюдента при уровне значимости α=5%; М_тз - длина ряда измеренных глубин торфяной залежи; h_ср.тз - среднее арифметическое значение глубины торфяной залежи на участке от нулевой глубины торфа до максимальной высотной отметки поверхности болота (без очеса); σ_тз - среднее квадратическое отклонение глубин торфяной залежи на указанном выше участке.

Внешняя граница окрайки (по отношению к болоту) принимается по линии нулевых глубин торфа, а внутренняя - по линии средней глубины торфяной залежи с учетом погрешности ее определения на участке от нулевой глубины торфа до максимальной отметки поверхности болота в районе расположения выпуска сточных вод (торфяная залежь, согласно [ГОСТ 21123-85. Торф. Термины и определения. - М.: Изд-во стандартов, 1988. - 62 с], - это «естественное напластование отдельных видов торфа от поверхности до минерального дна торфяного месторождения или подстилающих озерных или органо-минеральных отложений»). Расчетное положение внутренней границы окрайки уточняется по данным полевого обследования болотных фитоценозов. Для болот с глубинами торфяной залежи в диапазоне глубин, удовлетворяющих условию (5) окрайка не выделяется, а расчет фоновых концентраций проводится для всего болотного профиля.

Определение глубин торфяной залежи проводится в соответствии с требованиями [Наставление гидрометеорологическим станциям и постам. Вып.8. Гидрометеорологические наблюдения на болотах. - Л.: Гидрометеоиздат, 1990. - 360 с.] одновременно с нивелированием поверхности болота и уровня болотных вод по профилю, расположенному перпендикулярно границе болота (исследуемого участка болота). 3. Определяется фоновая концентрация вещества С_ф в болотных водах как верхний предел определения среднего геометрического для однородного участка болота.

Способ основывается на предположении, что гидрохимический фон соответствует условно равновесному состоянию системы «вода - порода», приближенно описываемому уравнением (6):

где C_X - условно равновесная концентрация вещества в растворе, содержащем количество учитываемых веществ S_X с концентрациями С_j; b₀, b_j - константы; E(ln C) - математическое ожидание логарифма концентрации вещества. Соответственно, фоновая концентрация представляет собой математическое ожидание в сложившихся природно-антропогенных условиях и при наличии данных наблюдений может быть рассчитана как среднее геометрическое за статистически однородный период продолжительностью достаточной, чтобы охватить несколько циклов маловодных и многоводных лет.

3.1. Для определения фоновой концентрации проводятся наблюдения за химическим составом болотных вод в деятельном горизонте болота отдельно для предварительно выделенных окрайки болота и однородных участков болота. Гидрохимические наблюдения выполняются в соответствии с требованиями [Наставление гидрометеорологическим станциям и постам. Вып.8. Гидрометеорологические наблюдения на болотах. - Л.: Гидрометеоиздат, 1990. - 360 с.; ГОСТ Р 51592-2000. Вода. Общие требования к отбору проб. - М.: ИПК Изд-во стандартов, 2000. - 34 с.].

3.2. Проводится исключение экстремальных значений согласно [РД 52.24.622-2001. Проведение расчетов фоновых концентраций химических веществ в воде водотоков. - М.: Гидрохимический институт Федеральной службы России по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды, 2001. - 68 с.]:

где C_cp, C_min, C_max, σ_C - среднее арифметическое, минимальное, максимальное значения, среднее квадратическое отклонение. В случае, если достигается условие I₁≤I_кр и I₂≤I_кр (I_кр - критическое значение, определяемое согласно [РД 52.24.622-2001. Проведение расчетов фоновых концентраций химических веществ в воде водотоков. - М.: Гидрохимический институт Федеральной службы России по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды, 2001. - 68 с.]), то проводится расчет фоновой концентрации вещества в болотных водах по формуле (9):

где Z_α - критическое значение коэффициента Стьюдента при уровне значимости α=0.05; М - длина ряда гидрохимических наблюдений; С_ср - среднее арифметическое значение концентрации вещества в болотных водах; С_г - среднее геометрическое значение концентрации вещества в болотных водах; σ_С - среднее квадратическое отклонение концентрации вещества; Cv - коэффициент вариации.

При наличии концентраций, равных или меньше порога чувствительности (8) используемого метода (то есть C≤δ), принимается C=0.5·δ с учетом рекомендаций [Требования к производству и результатам многоцелевого геохимического картирования масштаба 1:200000. - М.: ИМГРЭ, 2002. - 92 с.]. Расчет гидрохимического фона как верхний предел определения среднего геометрического проводится с учетом рекомендаций [Инструкция по геохимическим методам поисков рудных месторождений. - М.: Недра, 1965. - 227 с.] по изучению геохимических величин с логнормальным распределением.

4. Проводится определение допустимой концентрации вещества в сточных водах С_ст.дк на основе сравнения двух выборок объемом М в условно фоновом (С_ф) и нарушенном (C_r) состояниях для такого уровня антропогенного воздействия на водный объект, при котором его состояние существенно не меняется.

Этому условию соответствует вероятность (отвергнуть нулевую гипотезу H₀ об однородности двух выборок, которая не должна превышать принятый уровень значимости α: ℑ(ξ∈O|H₀)≤α, где ξ - статистика для проверки нулевой гипотезы, а О - критическая область. Если предположить, что значения С_ф и C_X распределены по закону Гаусса, а дисперсии σ_ф ² и σ_X ² известны и равны (σ²=σ_ф ²=σ_X ²), то возможно использование критерия Стьюдента в виде:

Тогда ограничение (11) для величины С_ст.дк при кратности начального разбавления сточных вод, равной единице (n_н=1), заданном критическом значении Z_α и с учетом (2) может быть сформулировано в виде:

где С_ст.дк - допустимая концентрация вещества в болотной воде в контрольном створе, расположенном на расстоянии r от выпуска сточных вод (согласно [Методика разработки нормативов допустимых сбросов веществ и микроорганизмов в водные объекты для водопользователей. Утв. Приказом МПР России от 17.12.2007 г. №33. - М.: Министерство природных ресурсов России, 2007. - 37 с.], - не далее 500 м от выпуска сточных вод); С_ф - фоновая концентрация вещества в болотных водах. Концентрация вещества в болотных водах на расстоянии r от выпуска сточных вод в болото определяется по формуле (13), а функция ƒ(С) при расчете сброса сточных вод в болото получена в результате аналитического решения уравнения стационарной диффузии в цилиндрических координатах при допущении незначительности диффузионной компоненты (способ разработан А.В. Караушевым и Л.Н. Меерович для водоемов с отсутствием устойчивых однонаправленных течений и адаптирован для расчета сброса в болото О.Г. Савичевым и соавторами [Временные методические указания по проведению расчетов фоновых концентраций веществ в болотных водах и предельно допустимых сбросов (ПДС) вредных веществ в болота со сточными водами (утверждены Приказом ГУПР и ООС по Томской области №0533/з от 23.07.2003 г.); Льготин В.А., Савичев О.Г. Оценка допустимых сбросов загрязняющих веществ в болота Томской области // Водоснабжение и санитарная техника. - 2007. - №5, С.33-38]):

где C_r - концентрация вещества в болотных водах на расстоянии г от выпуска сточных вод в болото, мг/дм³ (r в м); С₀ - концентрация вещества в загрязненных болотных водах, вычисляемая по уравнению 15 (при отсутствии данных о составе сточных и болотных вод принимается С₀-С_ст), мг/дм³; n - кратность разбавления сточных вод; k_C - константа самоочищения; D - коэффициент диффузии, м²/с; V - скорость движения болотных вод, м/с; λ - коэффициент гидродисперсии, м; k_ф - коэффициент фильтрации, м/с; J - уклон поверхности болотных вод, м/м; h_дг - глубина деятельного горизонта, м; L_сток - длина контура стекания болотных вод, м (контур стекания, согласно [ГОСТ 19179-73. Гидрология суши. Термины и определения. - М.: Изд-во стандартов, 1988. - 47 с.], это - «линия на плане или аэрофотоснимке болота, ограничивающая часть его площади, с которой определяется величина стока»); φ - угол сектора распространения примеси (при выпуске вдали от границы болота φ=6.28 рад., при выпуске у границы водораздельного болота с φ=3.14 рад., при выпуске у границы пойменного или террасного болота с выраженными уклонами к реке или вдоль реки φ=1.57 рад.).

Значения λ, k_ф, J, h_дг определяются по данным полевых работ, либо принимаются по фондовым и литературным источникам. Использование в формуле (13) величины 0.5·h_дг определяется принятием среднего уровня болотных вод в наиболее неблагоприятный по водности расчетный период в размере 0.5·h_дг; для внутриболотных озер в формуле (13) вместо величины 0.5·h_дг используется среднее значение глубины внутриболотного озера h_оз.cp, а коэффициент диффузии D рассчитывается для водоема согласно [Методика разработки нормативов допустимых сбросов веществ и микроорганизмов в водные объекты для водопользователей. Утв. Приказом МПР России от 17.12.2007 г. №33. - М.: Министерство природных ресурсов России, 2007. - 37 с.].

Коэффициент самоочищения k_С определяется следующим образом. В каждой точке наблюдения и для каждого вещества рассчитывается величина k_C по формуле (19)

где C_r - измеренная концентрация в пункте на расстоянии r от выпуска сточных вод. Строится графическая или аналитическая зависимость величины k_C от расстояния r между выпуском сточных вод и пунктом наблюдения. Если между величиной k_C и расстоянием r существует значимая связь, то для заданного расстояния от выпуска сточных вод до контрольного створа (пункта) по полученной зависимости определяется искомая величина k_C(r).

Если все значения k_C, вычисленные по формуле (19), близки между собой и находятся в интервале , то в расчете С_max используется среднее значение коэффициента самоочищения (k_н,i - наблюденные значения в ряду i=1,..., N; σ_KH - стандартное отклонение наблюденных значений k_н,i). Если все значения k_C, вычисленные по формуле (19), существенно отличаются друг от друга и выходят за пределы определения среднего, то принимается k_C=0.

5. При наличии источника загрязнения в пределах рассматриваемого участка болота определяется радиус влияния r_ав источника загрязнения по условию:

где ε - погрешность гидрохимических измерений согласно [ГОСТ 27384-2002. Вода. Нормы погрешностей измерения показателей состава и свойств. - М.: Стандартинформ, 2010. - 12 с.]; в первом приближении может быть принято ε=20%. Данные, полученные в пределах радиуса r_ав, не используются для расчета фоновых концентраций С_ф.

6. Проводится определение кратности разбавления сточных вод в болоте n: а) при наличии данных гидрохимических наблюдений - по фактическим (наибольшим за расчетный период) концентрациям вещества в сточных водах по формуле (17); б) при отсутствии данных наблюдений или в случаях, когда концентрация вещества в сточных водах меньше фоновой концентрации этого вещества в болотных водах - n=1. Контрольные пункты гидрохимических наблюдений устанавливаются не далее 500 м от выпуска сточных вод по контуру стекания в количестве не менее двух.

Пример осуществления изобретения:

1. Определяется глубина деятельного горизонта по литературным источникам (табл.1).

2. Рассчитывается средняя глубина торфяной залежи на участке от линий нулевой глубины торфа и максимальной отметки поверхности болота. Выделяется окрайка болота (полоса на границе болота с глубинами торфяной залежи между нулевой глубиной торфа и средней на участке от края болота до максимальной высотной отметки поверхности болота). Проводится сравнение условия (5) и данных полевых обследований болотных фитоценозов.

Пример выделения окрайки выпуклого олиготрофного болота приведен на фиг.1, евтрофного болота в долине большой реки - на фиг.2. Для болот с глубинами торфяной залежи в диапазоне (условие 5) окрайка не выделяется, а расчет фоновых концентраций проводится для всего болотного профиля.

На фиг.1 - Схема выделения окрайки олиготрофного выпуклого болота (участок Васюганского болота в Томской области в междуречье рек Икса и Бакчар)

Условные обозначения: В и Z - высотные отметки минерального дна и поверхности болота, соответственно; I - глубины торфяной залежи; II - средняя глубина торфяной залежи на участке, ограниченном нулевой глубиной торфа (включительно) и максимальной отметкой поверхности болота (без учета очеса); III - верхняя и нижняя границы определения средней глубины по условию (5) при уровне значимости 0.05; граница смены олиготрофного сосново-сфагнового болота и сфагновой мезотрофной топи находится в пределах 83-116 м (среднее - верхняя граница определения среднего) от линии нулевой глубины торфа.

На фиг.2 - Схема выделения окрайки евтрофного болота в пойме и на надпойменных террасах реки Обь (участок Обского болота у с.Мельниково в Томской области)

Условные обозначения: В и Z - высотные отметки минерального дна и поверхности болота, соответственно; W - средний уровень речных вод (река Обь и с.Победа); I -глубины торфяной залежи; II - средняя глубина торфяной залежи на участке, ограниченном нулевой глубиной торфа (включительно) и максимальной отметкой поверхности болота (без учета очеса); III - верхняя и нижняя границы определения средней глубины по условию (5) при уровне значимости 0.05; граница смены травяно-мохового фитоценоза на древесно-травяной находится в пределах 250-300 м от линии нулевой глубины торфа.

3. Определяется фоновая концентрация вещества С_ф в болотных водах как верхний предел определения среднего геометрического для однородного участка болота (табл.2).

4. Проводится определение допустимой концентрации вещества в сточных водах, сбрасываемых в болото (Обское болото у с. Мельниково).

Расход сточных вод q=0.00964 м³/с, минерализация сточных вод С_ст=2417.1 мг/дм³. Сброс сточных вод осуществляется в низинное болото на его границе с суходолом, в мохово-травяной микроландшафт, для которого принимаются следующие характеристики: глубина деятельного горизонта 0.52 м, скорость движения болотных вод берется как среднее по интервалу для гипново-осоковых микроландшафтов, а именно 2.698×10^-5 м/с. Контрольный створ удален от выпуска сточных вод на 500 м. С учетом положения контрольного створа фоновая концентрация растворенных солей принимается в размере 569.3 мг/дм³ (то есть для основной части болота).

Материалы гидрохимических наблюдений:

Фоновое значение минерализации принято для основной части болота равным 569.3 мг/дм³ (табл.3). Коэффициент гидродисперсии принимается равным 0.0022 м (табл.4) при условии активной пористости 80% (принимается по данным инженерных изысканий).

РАСЧЕТ:

1. Расчет коэффициента диффузии.

D=λ×ν=0.0022×2.698×10^-5=6×10^-8 м²/с.

2. Приведенная глубина деятельного слоя

h=0.5×0.52=0.26 м.

3. По данным наблюдений с помощью формулы (19) рассчитаны значения коэффициентов самоочищения:

4. Выявлена зависимость значений коэффициентов самоочищения k_x от расстояния x от выпуска сточных вод до пункта наблюдения:

k_x=0.0023x^-1,534 при квадрате корреляционного отношения R²=0.98, следовательно, значимая связь существует.

5. Коэффициент самоочищения k_C в контрольном створе составил

k_C=-0.0023×500^-1.5339=-1.7×10^-7

6. Рассчитывается максимальная концентрация C_max в контрольном створе

7. Определяется кратность разбавления n по формуле (17). В рассматриваемом примере концентрация растворенных солей в сточных водах меньше фоновой концентрации в болотных водах, с учетом чего принимается n=1.

8. Рассчитывается допустимая минерализация сточных вод

следовательно С_ст.дк ≤6592.5 г/дм³=6592.5·10³ мг/дм³

9. Расчетная допустимая минерализация сточных вод больше фактической, поэтому согласно методике (Методика разработки нормативов допустимых сбросов веществ и микроорганизмов в водные объекты для водопользователей. Утв. Приказом МПР России от 17.12.2007 г. №33. - М.: Министерство природных ресурсов России, 2007. - 37 с.)

С_ст.дк=С_ст=2417.1 мг/дм³

10. Расчет НДС выполняется по формуле

НДС=0.00964×2417.1=23.3 г/с=83.880 кг/час

11. Радиус влияния выпуска сточных вод при ε=80% составляет:

Технический результат: измерение фоновых концентраций веществ в болотных водах, определение допустимых концентраций загрязняющих веществ в сточных водах, полученные значения используются для обоснования нормативов допустимых сбросов в болота.

Формула определения допустимой концентрации вещества в сточных водах, поступающих в болото:

где С_ст.дк - допустимая концентрация вещества в болотной воде в контрольном створе, расположенном на расстоянии r от выпуска сточных вод; n - кратность разбавления сточных вод; Z_α - критическое значение коэффициента Стьюдента при уровне значимости α=0.05; М - длина ряда гидрохимических наблюдений; σ_С - среднее квадратическое отклонение концентрации вещества; k_C - константа самоочищения; D - коэффициент диффузии, м²/с; h_дг - глубина деятельного горизонта, м; φ - угол сектора распространения примеси; - фоновая концентрация вещества в болотных водах, определяемая для окрайки или однородного участка основной части болота, в которую непосредственно поступают сточные воды.

Формула определения допустимой концентрации вещества в сточных водах, поступающих во внутриболотное озеро:

,

где h_оз.ср - средняя глубина внутриболотного озера, м; коэффициент диффузии D рассчитывается для водоема согласно [Методика разработки нормативов допустимых сбросов веществ и микроорганизмов в водные объекты для водопользователей. Утв. Приказом МПР России от 17.12.2007 г. №33. - М.: Министерство природных ресурсов России, 2007. - 37 с.].

Определение кратности разбавления сточных вод n проводится:

а) при наличии данных гидрохимических наблюдений - по фактическим (наибольшим за расчетный период) концентрациям вещества в сточных водах по формуле:

,

где С_к - максимальная концентрация вещества в болотных водах в контрольных пунктах;

б) при отсутствии данных наблюдений или в случаях, когда концентрация вещества в сточных водах меньше фоновой концентрации этого вещества в болотных водах - n=1.

Контрольные пункты гидрохимических наблюдений устанавливаются по контуру стекания в количестве не менее двух и не далее 500 м от выпуска сточных вод по контуру стекания в количестве не менее двух (для болот и внутриболотных озер шириной более 500 м - в 500 м от выпуска сточных вод; для болот и внутриболотных озер шириной менее 500 м - по глубине в диапазоне от среднего арифметического значения (глубины) до верхней границы его определения с учетом изменения болотных фитоценозов на болоте или градиента глубины внутриболотного озера).

Новизна технического решения заключается в том, что применены современные подходы к нормированию антропогенного воздействия на болота. Впервые предложены: 1) способ выделения однородных участков болота - окрайки и основной части болота на основе анализа глубин торфяной залежи и болотных фитоценозов, 2) способ определения допустимой концентрации вещества в сточных водах на основе сравнения двух выборок в условно фоновом и нарушенном состояниях и 3) способ измерения фоновых концентраций в болотных водах, сущность которого заключается в определении верхнего предела среднего геометрического для однородных участков болота, в которые непосредственно поступают сточные воды.

Таблица 1 Основные гидрологические характеристики разных типов болотных микроландшафтов Болотные микроландшафты Глубина деятельного горизонта h_∂, м* Уклон поверхности болота i** Скорость движения болотных вод ν, 10^-6 м/с** Средняя проточность q_z, л/(с×км)** Сосново-         кустарничковые (высота 0.54 0.01-0.02 1.852-5.556 0.5-1.5 деревьев 9-13 м)         Сосново-сфагново-         кустарничковые (высота 0.49 0.005-0.008 2.859-8.160 0.7-2 деревьев 4-6 м)         Сфагново-         кустарничковые и         сфагново-         кустарничково-пушицевые, облесенные 0.22 0.00125- 5.625-22.731 1-2.5 0.0015     сосной (центральные         части выпуклых         массивов)         Грядово-мочажинные и         грядово-озерковые 0.33-0.38 0.0018-0.0037 4.213-24.248 0.8-4 комплексы         Сильнообводненные         грядово-мочажинные и         грядово-озерковые         комплексы,         необлесенные или 0.39 0.0008-0.0027 10.255-76.921 2-15 малооблесенные, с         открытой водной         поверхностью в         мочажинах или озерках         Гипново-осоковые 0.52 0.0003-0.0005 19.236-34.722 5-9 Примечание:
* Болота Западной Сибири. Их строение и гидрологический режим.-Л.: Гидрометеоиздат, 1976. - 447 с.
** Иванов К.Е. Водообмен в болотных ландшафтах.-Л.: Гидрометеоиздат, 1975. - 280 с.

Таблица 2 Пример расчета фоновых концентрации на окрайке (сфагновая топь) и в основной части («рям») олиготрофного болота (участок Васюганского болота) Статистика Окрайка (сфагновая топь) Основное болото, ″рям″ Расстояние от внешней границы болота, м Минерализация, мг/дм³ Расстояние от внешней границы болота, м Минерализация, мг/дм³ - 113 38.1 291 41.0 - 110 8.8 850 37.6 - 100 8.8 293 40.4 - 100 10.2 300 14.2 - 100 14.6 300 21.3 - 100 10.7 300 19.8 - 100 21.7 300 15.5 - 100 4.9 300 14.3 - 100 6.1 300 11.6 - 115 10.3 300 35.5 - - - 300 55.6 - - - 300 12.7 - - - 300 18.1 - - - 293 17.3 - - - 221 18.2 Проверка на экстремумы: первая итерация M₁ - 10 - 15 C_ср1 - 13.1 - 24.9 C_min1 - 4.9 - 11.6 C_max1 - 38.1 - 55.6 σ_C1 - 9.4 - 13.5 I₁ - 2.7 - 2.3 I₂ - 0.9 - 1.0 I_кр - 2.2 - 2.4 наличие экстремумов - да - нет Проверка на экстремумы: вторая итерация - 113 - 291 41.0 - 110 8.8 850 37.6 - 100 8.8 293 40.4 - 100 10.2 300 14.2 - 100 14.6 300 21.3 - 100 10.7 300 19.8 - 100 - 300 15.5 - 100 4.9 300 14.3 - 100 6.1 300 11.6 - 115 10.3 300 35.5 - - - 300 55.6

Статистика Окрайка (сфагновая топь) Основное болото, ″рям″ Расстояние от внешней границы болота, м Минерализация, мг/дм³ Расстояние от внешней границы болота, м Минерализация, мг/дм³ - - - 300 12.7 - - - 300 18.1 - - - 293 17.3 - - - 221 18.2 C_cp2 - 9.3 - 24.9 M₂ - 8 - 15 C_min2 - 4.9 - 11.6 C_min2 - 14.6 - 55.6 I₁ - 1.8 - 2.3 I₂ - 1.5 - 1.0 I_кр - 2.0 - 2.4 наличие экстремумов - нет - нет σ_C2 - 3.0 - 13.5 Z_α - 1.9 - 1.8 Cν² - 0.3 - 0.5 Сг - 8.8 - 22.0 exp() - 1.2 - 1.3 С_ф - 10.9 - 27.7 Примечания: условные обозначения для статистик приведены к формулам (7-10), exp() - - множитель формулы (9).

Таблица 4 Значения параметров гидродисперсии для торфа [Лиштван И.И.. Базин Е.Т., Косов В.И. Физические процессы в торфяной залежи. - Минск: Наука и техника, 1989. - 287 с.] Параметр Значения параметров при различной плотности торфяного скелета торфа, кг/м³ 152 190 281 Активная пористость η, % 85.8 73.5 72.6 Коэффициент гидродисперсии λ, м 0.002 0.0028 0.0018

Изобретение относится к гидрохимии болот и может быть использовано для измерения фоновых концентраций веществ в болотных водах. Сущность: выделяют однородные участки болота на основе анализа глубин торфяной залежи и болотных фитоценозов. Измеряют фоновую концентрацию вещества в болотных водах как верхний предел среднего геометрического для однородного участка болота. Определяют допустимую концентрацию вещества в болотной воде на основе сравнения двух выборок в условно фоновом и нарушенном состояниях для такого уровня антропогенного воздействия на водный объект, при котором его состояние существенно не меняется. Технический результат: измерение фоновых концентраций веществ в болотных водах. 2 з.п. ф-лы, 4 табл., 2 ил.

1. Способ измерения фоновых концентраций веществ в болотных водах, включающий выделение однородных участков болота (окрайки и основной части болота) на основе анализа глубин торфяной залежи и болотных фитоценозов; измерение фоновой концентрации вещества в болотных водах как верхнего предела определения среднего геометрического для однородного участка болота; определение допустимой концентрации вещества в болотной воде на основе сравнения двух выборок в условно фоновом и нарушенном состояниях для такого уровня антропогенного воздействия на водный объект, при котором его состояние существенно не меняется, по формуле:
,
где С_ст.дк - допустимая концентрация вещества в болотной воде в контрольном створе, расположенном на расстоянии r от выпуска сточных вод; n - кратность разбавления сточных вод; Z_α - критическое значение коэффициента Стьюдента при уровне значимости α=0.05; M - длина ряда гидрохимических наблюдений; σ_C - среднее квадратическое отклонение концентрации вещества; k_C - константа самоочищения; D - коэффициент диффузии, м²/с; h_дг - глубина деятельного горизонта, м; φ - угол сектора распространения примеси; - фоновая концентрация вещества в болотных водах, определяемая для окрайки или однородного участка основной части болота, в которую непосредственно поступают сточные воды.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно определяют допустимую концентрацию вещества в сточных водах, поступающих во внутриболотное озеро, на основе сравнения двух выборок объемом в условно фоновом и нарушенном состояниях для такого уровня антропогенного воздействия на водный объект, при котором его состояние существенно не меняется по формуле:
,
где h_оз.ср - средняя глубина внутриболотного озера, м.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что при наличии источника загрязнения в пределах рассматриваемого участка болота определяют радиус влияния источника загрязнения.