УДК 581.5:574

А.Г.Васенко (канд.биол.наук), М.А.Захарченко (канд.техн.наук), И.А.Рижикова

(УкрНИИЭП)

МЕТОДИКА РАСЧЕТА САМООЧИЩАЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ МАЛЫХ РЕК

Аннотация. Как правило, речной поток состоит из двух водных экотопов – участков реки со свободной водной поверхностью и с водной поверхностью, занятой зарослями высших водных растений. Соотношение двух систем на участках реки разное и зависит от природных условий территории. Процессы самоочищения в двух системах протекают с разной интенсивностью, что влияет, в целом, на характер прохождения их на данном участке реки. В статье приведена методика расчета способности реки к самоочищению с учетом особенностей этих процессов в различных водных экотопах.

Annotation. As a rule, a river stream is presented two ecotops waters - areas of the river with a free water surface and with a water surface, which is covered by the higher water plants. Correlation of two systems on the areas of the river is different and depends on the environmental conditions of territory. The processes of selfcleansing in two systems go along with different intensity that influences, on the whole, on character of passing these processes on this area of the river. In the article the method of calculation of the selfcleansing оf ability river is described taking into account the features of these processes in different ecotops of waters.

Состояние проблемы.

Способность реки к самоочищению зависит от многих факторов: наполнения русла, скорости течения, степени зарастания реки высшими водными растениями, а также от состава загрязняющих веществ и др. В среднем, при здоровой реке количество загрязняющих веществ может уменьшаться до 30% в сутки в результате естественного распада.

Определить способность реки к самоочищению сложно, так как с водосборной площади в реки постоянно поступают дополнительные массы органического вещества аллохтонного происхождения. Кроме того, часть органических веществ автохтонного происхождения образуется в самой реке в результате фотосинтеза гидробионтов.

При этом необходимо учитывать биологическую составляющую биоценоза речных систем, в частности наличие или отсутствие экотопов высших водных растений, которые развиваются в русле реки и в значительной степени влияют на процессы самоочищения водного потока. Как правило, речной поток малых рек разделяется на две системы: участки со свободной водной поверхностью и с водной поверхностью покрытой зарослями высших водных растений. Соотношение двух систем на участках реки разное и зависят от природных условий территории. Самоочищение в двух системах протекает с различной интенсивностью, что влияет, в целом, на характер прохождения этих процессов на данном отрезке реки.

Этот вывод подтверждают исследования, которые были проведены на реке Бык (приток р. Самара, Украина). Если рассматривать отдельные участки реки на значительном ее отрезке или всю реку (например, от верховья к устью), можно определить места, на которых предыдущее загрязнение речной воды (исследования проведены по ХПК) значительно уменьшается и даже достигает характеристик, близких к фоновым.

Практически, после каждого села наблюдается увеличение количества загрязняющих веществ в речном потоке, а перед следующим селом качество воды улучшается, чем наглядно демонстрируется действие процессов самоочищения на отрезке реки между двумя селами.

Например, по реке Бык такая ситуация отмечается возле с. Святогоровка (снижение уровня загрязнения по ХПК с 57,4 мгО/дм3 до 7,5 мгО/дм3), между селами Новомарьевка – Каменка (снижение уровня загрязнения по ХПК с 207,5 мгО/дм3– 7,3 мгО/дм3), Водолажское – Троицкое (от 22,9 мгО/дм3 до 5 мгО/дм3), Самарское – Петропавловка (от 102,2 мгО/дм3 до 22,7 мгО/дм3) и другие. Обследование показало, что характерной составляющей таких участков является наличие мощных зарослей высших водных растений, полностью перекрывающих русло реки и, как правило, незначительная часть, приходящаяся на открытую водную поверхность, свободную от ВВР.

Основным сдерживающим фактором для расчета эффективности процессов самоочищения в зарослях ВВР является определение величины площади, занятой растениями. Определить ее достаточно тяжело, даже при условии проведения прямых натурных измерений с использованием приборов прямого и дистанционного измерения и др.

Решение проблемы.

Реальный путь для определения площади зарослей ВВР на отрезке реки появился с развитием компьютерной техники – использование снимков из космоса, доступных благодаря программному продукту Google Earth.

Для примера рассмотрим участок реки на отрезке с. Самарское - пгт. Петропавловка (рис.1). Используя снимок (а также предварительные натурные наблюдения для дешифровки изображения) определяем площадь реки, покрытой  зарослями ВВР.  В данном случае эта часть реки составляет до 80% , а на долю свободной водной поверхности приходится  20%. Если всю площадь реки принять за 1, то на долю участков, занятых ВВР ( S1) будет приходиться - 0.8, а площадь свободная от растений (S2) составит 0,2.

Так как процессы самоочищения на участках, поросших зарослями тростника, и на участке реки без ВВР будут идти с разной эффективностью, необходимо рассчитать ее отдельно для каждой системы речного потока по соответствующим методикам.

Рис. 1. Площадь ВВР на участке р. Бык от с. Самарское до пгт. Петропавловка.

- водная поверхность занятая высшими водными растениями;

- свободная водная поверхность.

Таким образом, используя снимки из программы Google Earth, можно определить площадь, занятую зарослями ВВР и использовать этот показатель для расчетов самоочищения реки на данном участке. Для максимально удобной дешифрации снимков рекомендуется использовать изображения поверхности Земли, полученные в осенний период (до выпадения снега), когда заросли ВВР приобретут максимальную высоту и четкость изображения.

Методика определения способности реки к самоочищению.

1. Расчет эффективности самоочищения реки на участке с зарослями ВВР

Для расчета эффективности самоочищения реки на участки с зарослями растений используем широко используемое понятие требуемого времени контакта (Тк) очищаемой воды с биоценозом биоплато [1], которое обеспечивает необходимое   снижение загрязнения

Тк ;           (1)


По уравнению (1) определяем Е (показатель эффективности очистки воды, %), который равняется:

Е = (1 - ) 100;             (2)

где К1 – коэффициент скорости реакции очистки загрязненной воды приведены в  табл. 1 [2].

Таблица 1. Коэффициенты скорости реакций очистки сточной воды

Вещество (показатель)

к, 1/сут

БПК5

0,43

Взвешенные  вещества

0,37

ХПК

0,17

NH4

0,12

PO4

0,06

Так как мы рассматриваем речную систему, для расчета вводим  скорость реки и время контакта воды на расчетном участке.

Скорость реки (V) была замерена ранее и  равняется для участков с зарослями растений V1 = 5 км/сут., а для свободной водной поверхности - V2 = 0,5 км/сут.

Учитывая скорость течения реки, устанавливаем время контакта воды в зарослях ВВР (3):

Тк1 = ;                (3)

где L – длина реки между двумя селами.

Введение в формулу (2) этих показателей позволяет определить эффективность очистки речного потока в зарослях ВВР:

Е = (1 - ) S1;           (4)

Таким образом, уменьшение загрязнения воды в реке (по ХПК) за счет процессов самоочищения в зарослях высших водных растений в конечной точке участка ∆СВВР перед пгт. Петропавловка составит:

∆Сввр = С1 х Е х S1;           (5)

где    S1 – площадь занятая зарослями ВВР (доли единицы). При этом принимаем, что ширина реки по всей ее длине одинакова..

Таким образом, количество загрязнения, аккумулированное системой с ВВР, определяется формулой:

∆Сввр = С1 (1 - ) S1;      (6)

2. Расчет эффективности самоочищения реки в речном потоке без зарослей ВВР

Для расчета эффективности самоочищения реки на участке без зарослей растений используем формулу И.Д. Родзиллера [3] для биологических бассейнов. Как бассейны, так и часть участка реки, которая рассматривается, объединяет зеркало воды, свободное от зарослей растений.

Согласно расчету Родзиллера в зависимости от времени пребывания воды (Тк) в водном бассейне с естественной аэрацией, степень загрязнения (например, по ХПК) уменьшается и определяется формулой:

Тк = ;          (7)

где

С1

- ХПК воды в  верхнем створе реки, мгО/дм3

С2

- ХПК воды в нижнем створе реки, мгО/дм3

Сy

-ХПК воды, обусловленная внутренними процессами водотока; для теплого времени года - Сr = 3 мгО/ дм3, для холодного - Сr = 1-3 мгО/дм3,

K1

- константа скорости потребления кислорода, принимают, К1= 0,1 сутки-1 при Т=200С.

Для определения эффективности самоочищения в речном потоке, рассчитываем  скорость реки на участке, свободной от зарослей растений, она составляет V2 = 0,5 км/сут., а время протекания соответствующих биохимических  процессов:

Тк2 = ;                      (8)

где    S2 -  площадь реки свободная от зарослей растений (доли единицы). При этом принимаем, что ширина реки по всей ее длине одинакова.

Таким образом, уменьшение загрязнения воды в реке (по ХПК) за счет самоочищения на участках с открытой водной поверхностью (без ВВР) в конечной точке выбранного участка ∆Свод перед пгт. Петропавловка составит:

∆Свод = () S2 ;           (9)

Согласно данной методики, изъятие загрязнения за счет процессов самоочищения на данном отрезке реки составляет

∑∆С = ∆Свод +∆Сввр (10)

Таким образом, снижение загрязнения в конечной точке реки определяем по формуле (11):

С2 = С1 - ∑∆С;                         (11)

Используя приведенные выражения, рассчитываем интенсивность процесса самоочищение реки на участке с. Самарское (выше по течению) – пгт. Петропавловка (ниже по течению).

Длина реки между двумя точками отбора проб составляла 5 км, доля реки занятая зарослями ВВР – 0.8, а доля свободной водной поверхности – 0.2.

1. В зарослях растений  снижение загрязнения (по ХПК)  составляет:

∆Сввр = С1 (1 - ) S1 = 57,2 мгО/дм3

2. Для участка реки со свободной  водной поверхностью (без зарослей  растений)  снижение загрязнения (по ХПК)   составляет:

∆Свод = () S2 = 19,8 мгО/дм3

3. Суммарно снижение загрязнения (по ХПК) ∑∆С составляет:

∑∆С = ∆Сввр + ∆Свод =57,2 мгО/дм3 + 19,8 мгО/дм3= 77 мгО/дм3

4. Таким образом, концентрация загрязнения С2 в конечной точке перед пгт. Петропавловка должна составлять:

С2 = С1 - ∑∆С = 102,2 мгО/дм3– 77 мгО/дм3= 25,2 мгО/дм3

Расчет способности реки к самоочищению рассчитанный отдельно по каждому участку реки с разными условиями протекания процессов самоочищения – участкам с зарослями ВВР и со свободной водной поверхностью имеет хорошую корреляцию с данными химического анализа отобранных  проб речной воды, согласно которым уровень загрязнения воды в реке Бык по ХПК перед пгт. Петропавловка (С2) составлял – 22,7 мгО/дм3.

Выводы.

Представленная методика расчета способности малых рек к самоочищению с учетом природной составляющей водных экотопов, позволяет более достоверно определить самоочищение реки на определенном отрезке. Это дает возможность определить, необходимы ли дополнительные мероприятия по усилению эффективности природных процессов, или же река в состоянии сама нейтрализовать загрязнения, поступающие с бортов долины.

Литература:

1. Kadlec, R.H. and Knight, R.L. 1996. Treatment Wetlands, Lewis Publishers, Boca Raton, FL.

2. Knight, R.L., R.W. Ruble, R.H. Kadlec, and S.C. Reed. Wetlands for Wastewater Treatment Performance Database. G.A Moshiri, ed. Constructed Wetlands for Water Quality Improvement. Boca Raton, FL: Lewis Publishers. 1993.

3. Родзиллер И.Д. Прогноз качества воды водоемов – приемников сточных вод / Родзиллер Иосиф Давыдович. – М.: Стройиздат, 1984.- 263 с.