СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ФОНОВЫХ КОНЦЕНТРАЦИЙ ВЕЩЕСТВ В БОЛОТНЫХ ВОДАХ
MEASUREMENT METHOD OF BACKGROUND CONCENTRATIONS OF SUBSTANCES IN SWAMP WATERS

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.
ф
ст
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), концентрациях в сточных водах, сбрасываемых в водотоки и водоемы (С).
ст
ст.дк
Сущность метода определения допустимого сброса ЗВ (ДС) в водоток или водоем заключается в умножении значений расхода сточных вод (q) на допустимую концентрацию вещества в сточных водах (С):
C
где n - кратность разбавления сточных вод; k - 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.
ф
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, 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):
α
ср
С
ср
С
где Z - критическое значение коэффициента Стьюдента при уровне значимости α=5%; М - длина ряда гидрохимических наблюдений; С - среднее арифметическое значение концентрации вещества в водном объекте в период года, наиболее неблагоприятный с точки зрения самоочищения; σ - среднее квадратическое отклонение концентрации вещества (при наличии связи концентрации вещества в воде С и расхода речных вод Q величины С и σ 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;
ф
ф
ст.дк
2) нет утвержденной методики определения кратности разбавления сточных вод в болоте; даже для водотоков и водоемов (озер, водохранилищ, морей) метод ограничен значениями С<ПДК; при значениях С>ПДК принимают С=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:
ст.дк
ф
r
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 на основе сравнения двух выборок объемом М в условно фоновом (С) и нарушенном (C) 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):
α
тз
ср.тз
тз
где Z- критическое значение коэффициента Стьюдента при уровне значимости α=5%; М - длина ряда измеренных глубин торфяной залежи; h - среднее арифметическое значение глубины торфяной залежи на участке от нулевой глубины торфа до максимальной высотной отметки поверхности болота (без очеса); σ - 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.
ф
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 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):
X
X
j
0
j
где C - условно равновесная концентрация вещества в растворе, содержащем количество учитываемых веществ S с концентрациями С; b, b - 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.]:
cp
min
max
C
1
кр
2
кр
кр
где C, C, C, σ - среднее арифметическое, минимальное, максимальное значения, среднее квадратическое отклонение. В случае, если достигается условие I≤I и I≤I (I - 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):
α
ср
г
С
где Z - критическое значение коэффициента Стьюдента при уровне значимости α=0.05; М - длина ряда гидрохимических наблюдений; С - среднее арифметическое значение концентрации вещества в болотных водах; С - среднее геометрическое значение концентрации вещества в болотных водах; σ - 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.
ст.дк
ф
r
4. Проводится определение допустимой концентрации вещества в сточных водах С на основе сравнения двух выборок объемом М в условно фоновом (С) и нарушенном (C) состояниях для такого уровня антропогенного воздействия на водный объект, при котором его состояние существенно не меняется.
0
0
ф
X
ф
X
ф
X
2
2
2
2
2
Этому условию соответствует вероятность (отвергнуть нулевую гипотезу H об однородности двух выборок, которая не должна превышать принятый уровень значимости α: ℑ(ξ∈O|H)≤α, где ξ - статистика для проверки нулевой гипотезы, а О - критическая область. Если предположить, что значения С и C распределены по закону Гаусса, а дисперсии σ  и σ  известны и равны (σ=σ =σ ), то возможно использование критерия Стьюдента в виде:
ст.дк
н
α
Тогда ограничение (11) для величины С при кратности начального разбавления сточных вод, равной единице (n=1), заданном критическом значении Z и с учетом (2) может быть сформулировано в виде:
ст.дк
ф
где С - 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 - 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]):
r
0
0
ст
C
ф
дг
сток
3
3
2
где C - концентрация вещества в болотных водах на расстоянии г от выпуска сточных вод в болото, мг/дм (r в м); С - концентрация вещества в загрязненных болотных водах, вычисляемая по уравнению 15 (при отсутствии данных о составе сточных и болотных вод принимается С-С), мг/дм; n - кратность разбавления сточных вод; k - константа самоочищения; D - коэффициент диффузии, м/с; V - скорость движения болотных вод, м/с; λ - коэффициент гидродисперсии, м; k - коэффициент фильтрации, м/с; J - уклон поверхности болотных вод, м/м; h - глубина деятельного горизонта, м; L - 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.).
ф
дг
дг
дг
дг
оз.cp
Значения λ, k, J, h определяются по данным полевых работ, либо принимаются по фондовым и литературным источникам. Использование в формуле (13) величины 0.5·h определяется принятием среднего уровня болотных вод в наиболее неблагоприятный по водности расчетный период в размере 0.5·h; для внутриболотных озер в формуле (13) вместо величины 0.5·h используется среднее значение глубины внутриболотного озера h, 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.].
С
C
Коэффициент самоочищения k определяется следующим образом. В каждой точке наблюдения и для каждого вещества рассчитывается величина k по формуле (19)
r
C
C
C
где C - измеренная концентрация в пункте на расстоянии r от выпуска сточных вод. Строится графическая или аналитическая зависимость величины k от расстояния r между выпуском сточных вод и пунктом наблюдения. Если между величиной k 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(r).
C
max
н,i
KH
н,i
C
C
Если все значения k, вычисленные по формуле (19), близки между собой и находятся в интервале , то в расчете С используется среднее значение коэффициента самоочищения (k - наблюденные значения в ряду i=1,..., N; σ - стандартное отклонение наблюденных значений k). Если все значения k, вычисленные по формуле (19), существенно отличаются друг от друга и выходят за пределы определения среднего, то принимается k=0.
ав
5. При наличии источника загрязнения в пределах рассматриваемого участка болота определяется радиус влияния r источника загрязнения по условию:
ав
ф
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, не используются для расчета фоновых концентраций С.
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.
ф
3. Определяется фоновая концентрация вещества С 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).
3
3
-5
3
ст
Расход сточных вод q=0.00964 м/с, минерализация сточных вод С=2417.1 мг/дм. 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 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/дм (то есть для основной части болота).
Материалы гидрохимических наблюдений:
3
Фоновое значение минерализации принято для основной части болота равным 569.3 мг/дм (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.
-5
-8
2
D=λ×ν=0.0022×2.698×10=6×10 м/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:
x
4. Выявлена зависимость значений коэффициентов самоочищения k от расстояния x от выпуска сточных вод до пункта наблюдения:
x
-1,534
2
k=0.0023x при квадрате корреляционного отношения R=0.98, следовательно, значимая связь существует.
C
5. Коэффициент самоочищения k в контрольном створе составил
C
-1.5339
-7
k=-0.0023×500=-1.7×10
max
6. Рассчитывается максимальная концентрация C 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
ст.дк
3
3
3
следовательно С ≤6592.5 г/дм=6592.5·10 мг/дм
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.)
ст.дк
ст
3
С=С=2417.1 мг/дм
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:
ст.дк
α
С
C
дг
2
где С - допустимая концентрация вещества в болотной воде в контрольном створе, расположенном на расстоянии r от выпуска сточных вод; n - кратность разбавления сточных вод; Z - критическое значение коэффициента Стьюдента при уровне значимости α=0.05; М - длина ряда гидрохимических наблюдений; σ - среднее квадратическое отклонение концентрации вещества; k - константа самоочищения; D - коэффициент диффузии, м/с; h - 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:
,
оз.ср
где h - 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:
,
к
где С - 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<sub>∂</sub>, м*
Уклон поверхности болота i**
Скорость движения болотных вод ν, 10<sup>-6</sup> м/с**
Средняя проточность q<sub>z</sub>, 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/дм<sup>3</sup>
Расстояние от внешней границы болота, м
Минерализация, мг/дм<sup>3</sup>
-
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
M<sub>1</sub>
-
10
-
15
C<sub>ср1</sub>
-
13.1
-
24.9
C<sub>min1</sub>
-
4.9
-
11.6
C<sub>max1</sub>
-
38.1
-
55.6
σ<sub>C1</sub>
-
9.4
-
13.5
I<sub>1</sub>
-
2.7
-
2.3
I<sub>2</sub>
-
0.9
-
1.0
I<sub>кр</sub>
-
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/дм<sup>3</sup>
Расстояние от внешней границы болота, м
Минерализация, мг/дм<sup>3</sup>
-
-
-
300
12.7
-
-
-
300
18.1
-
-
-
293
17.3
-
-
-
221
18.2
C<sub>cp2</sub>
-
9.3
-
24.9
M<sub>2</sub>
-
8
-
15
C<sub>min2</sub>
-
4.9
-
11.6
C<sub>min2</sub>
-
14.6
-
55.6
I<sub>1</sub>
-
1.8
-
2.3
I<sub>2</sub>
-
1.5
-
1.0
I<sub>кр</sub>
-
2.0
-
2.4
наличие экстремумов
-
нет
-
нет
σ<sub>C2</sub>
-
3.0
-
13.5
Z<sub>α</sub>
-
1.9
-
1.8
Cν<sup>2</sup>
-
0.3
-
0.5
Сг
-
8.8
-
22.0
exp()
-
1.2
-
1.3
С<sub>ф</sub>
-
10.9
-
27.7
Примечания: условные обозначения для статистик приведены к формулам (7-10), exp()  - <img file="00000032.tif" he="13" wi="49" img-content="undefined" img-format="tif" /> - 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/м<sup>3</sup>
152
190
281
Активная пористость η, %
85.8
73.5
72.6
Коэффициент гидродисперсии λ, м
0.002
0.0028
0.0018