Инженерно-мелиоративные подходы к улучшению состояния водных объектов в условиях городской застройки

На правах рукописи

Власов Василий Анатольевич

ИНЖЕНЕРНО-МЕЛИОРАТИВНЫЕ ПОДХОДЫ

К УЛУЧШЕНИЮ СОСТОЯНИЯ ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ

В УСЛОВИЯХ ГОРОДСКОЙ ЗАСТРОЙКИ

Специальность 06.01.02-Мелиорация, рекультивация и охрана земель

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва 2009

Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Московском государственном университете природообустройства (ФГОУ ВПО МГУП)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Сметанин Владимир Иванович

Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный университет природообустройства» (ФГОУ ВПО МГУП)

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Волшаник Валерий Валентинович

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный строительный университет» (ГОУ ВПО МГСУ)

кандидат технических наук, доцент

Лагутина Наталья Владимировна

Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный университет природообустройства» (ФГОУ ВПО МГУП)

Ведущая организация: Государственное Унитарное Предприятие

«МосводоканалНИИпроект»

Защита диссертации состоится «2» июня 2009 года в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 220.045.01 при Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Московском государственном университете природообустройства по адресу: 127550 Москва, ул. Прянишникова, д. 19, зал заседаний Ученого Совета (1 учебный корпус, ауд. 201), тел./факс: 8(495)976-10-46.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования Московском государственном университете природообустройства и на официальном сайте ФГОУ ВПО МГУП www.msuee.ru.

Автореферат разослан «30» апреля 2009 года

Ученый секретарь

диссертационного совета Сурикова Т.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Урбанизация создает достаточно сложный комплекс проблем, среди которых одной из важнейших является экологическая проблема городской среды, а именно – загрязнение среды обитания. Стремительное развитие и расширение урбанизированных территорий оказывают отрицательное влияние на экологию городов, в том числе и на водные объекты. Водотоки и водоемы в пределах урбанизированных территорий все время испытывают мощное негативное воздействие процессов урбанизации как фактора техногенеза, являясь приемниками загрязняющих веществ, поступающих с очищенными сточными водами и поверхностным стоком.

В настоящее время многие городские реки и пруды находятся в таком состоянии, что одни только природоохранные меры не могут дать желаемого эффекта. Существует настоятельная необходимость создания новых методологий, позволяющих при разработке проектов сохранения и восстановления малых водных объектов осуществлять комплексное решение экологических и инженерно-мелиоративных задач.

Таким образом, устойчивое улучшение экологического состояния городских водных объектов может быть достигнуто только за счет совершенствования технологий очистки и разработки принципов и эффективных способов экологического регулирования.

Цель работы – разработка научно обоснованных инженерно-мелиоративных подходов к улучшению состояния городских водных объектов.

Задачи работы:

– исследовать факторы, определяющие общее экологическое состояние водных объектов;

– разработать комплексный метод оценки инженерно-экологического состояния водных объектов, как элементов техно-природных систем;

– провести инженерно-экологический мониторинг состояния городских водных объектов в реальных условиях с оценкой обустроенности пойменных и прибрежных территорий и качества водной среды в них;

– на основании инженерно-экологического мониторинга состояния городских водных объектов разработать универсальную классификацию городских водных объектов с учетом типа их водопользования;

– разработать организационно-технологическую систему приемов, направленных на улучшение состояния городских водных объектов.

Объект исследования – природно-территориальный комплекс водных объектов, расположенных на территории г. Москвы, включающий сам водный объект и его прибрежную зону.

Предмет исследования – комплексная оценка состояния природно-территориального комплекса водных объектов и инженерно-мелиоративные подходы к его улучшению.

Рабочая гипотеза – обоснование предложений по комплексной оценке состояния природно-территориального комплекса водных объектов для последующего выбора инженерно-мелиоративных подходов, направленных на его улучшение.

Научная новизна работы:

– предложен усовершенствованный метод оценки инженерно-экологического состояния городских водных объектов;

– выполненный инженерно-экологический мониторинг позволил комплексно оценить современное состояние городских водных объектов и обосновать их целевой потенциал и значимость;

– предложена классификация водных объектов в соответствии с их целевым потенциалом и значимостью;

– разработана организационно-технологическая система приемов улучшения состояния водных объектов;

– разработаны и обоснованы инженерно-мелиоративные и экологические решения по восстановлению и обустройству малых городских водных объектов.

Практическая значимость работы заключается в том, что ее результаты могут быть использованы в следующих областях деятельности:

– при проведении инженерно-экологического контроля за состоянием городских водных объектов как элементов техно-природных систем;

– при разработке и обосновании инженерно-мелиоративных и экологических мероприятий по улучшению состояния водных объектов в условиях городской застройки;

– при разработке и проведении ландшафтно-экологического обустройства природно-территориальных комплексов городских водных объектов с целью повышения их рекреационной значимости;

– при разработке городских программ инженерно-экологического обустройства водоемов и их рекреационных зон с учетом индивидуальных особенностей каждого водного объекта.

Достоверность научных положений, выводов и практических рекомендаций, сформулированных в диссертации, подтверждаются:

– достоверностью исходной информации для последующего анализа, определяемой использованием обширных фактических отечественных и зарубежных данных по экологическому состоянию городских водных объектов;

– информационной базой на основании научных трудов российских и зарубежных ученых;

– использованием опробованных научных методов оценки прибрежных и пойменных территорий водных объектов;

– использованием опробованных научных методов оценки экологического состояния водных объектов и анализа причин их загрязнения;

– применением современного приборного оборудования для определения показателей качества воды в водных объектах с использованием стандартных методик.

На защиту выносятся:

– особенности водных объектов в условиях городской застройки;

– основные источники и виды загрязнений городских водных объектов;

– результаты аналитических исследований критериев оценки качественного состояния природно-территориальных комплексов городских водных объектов;

– результаты лабораторно-полевых исследований и инженерно-экологического мониторинга городских водных объектов;

– организационно-технологические особенности восстановления городских водных объектов.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на:

Международных научно-практических конференциях и семинарах (Россия, г. Москва, ФГОУ ВПО МГУП, 2005–2008 гг.); 8-ой Российской Агропромышленной выставке «Золотая осень-2006» (Россия, г. Москва, ВВЦ 2006 г.); Международной молодёжной конференции «Молодежь за безопасную окружающую среду и сохранение культурного разнообразия в интересах устойчивого развития» (Россия, г. Дубна, университет «Природы, Общества, Человека», 2006 г.); Международной научно-практической конференции «ЭКВАТЕК–2008» (Россия, г. Москва, 2008 г.); втором Всероссийском открытом конкурсе «Будущее регионов России 2008» (Россия, г. Москва, Институт демографии, миграции и регионального развития, 2008 г.); открытом городском мероприятии «Экология воды» (Россия, г. Москва, Московский Государственный Колледж книжного бизнеса и информационных технологий, 2008 г.); Международной конференции «Чистая вода» (Россия, г. Москва, гостиница «Президент-отель», 2009 г.).

Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 7 печатных работах, в том числе в научном журнале, рекомендованном ВАК РФ: «Мелиорация и водное хозяйство».

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав и выводов к ним, основных выводов и рекомендаций, списка использованной литературы и трёх приложений. Основной текст диссертации изложен на 191 странице машинописного текста, иллюстрирован 62 рисунками и содержит 54 таблицы. Библиографический список включает 125 наименований, из них 10 на иностранном языке.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. На основе аналитического обобщения литературных источников обосновывается актуальность темы диссертационной работы, определяются цели и задачи диссертационного исследования, научная новизна и практическая значимость диссертационной работы.

В главе 1 «Водные объекты в условиях городской застройки, их роль и значение» изложены результаты аналитического обзора литературных источников, отражающих современное состояние водных объектов, расположенных на урбанизированных территориях и определена необходимость проведения «комплексной оценки» природно-территориальных комплексов городских водоемов с целью их последующего восстановления.

Проблеме восстановления водных объектов посвящены научные работы Айдарова И.П., Голованова А.И., Сметанина В.И., Румянцева И.С., Волшаника В.В., Печникова В.Г., Великанова Н.Л., Плугатырева М.Н., Гаврилюка А.А., Родионова В.Б., Безносова В.В., Боровкова, В.С., Орехова, Г.В., Щербиной Е.В., Нелюбиной Е.А., Хлыниной Н.Г., Кирейчевой Л.В., Горюновой С.В. и других ученых.

Выполненные теоретические исследования показали, что состояние водных объектов сегодня является важнейшим показателем экологического благополучия города, т.к. они являются неотъемлемыми элементами всей ландшафтно-архитектурной системы мегаполиса, поддерживают гомеостаз ландшафта, выполняют санитарно-биологическую, климатообразующую, культурно-историческую, рекреационную функции. В то же время, малые реки, озера и пруды на территории крупного города в наибольшей степени подвергаются мощному антропогенному воздействию. Поэтому практически все городские водоемы и водотоки представляют собой природно-антропогенные или полностью антропогенные (техногенные) объекты.

Интенсивность естественных процессов самоочищения в них зачастую несравнима с потоком поступающих в водную среду загрязняющих веществ. Повышенная рекреационная нагрузка, отбор воды на бытовые и хозяйственные нужды, отведение в водные объекты сбросных сточных вод и неочищенных стоков, поступление загрязненных поверхностных вод, изменение физико-механических свойств донных грунтов – все эти, отнюдь неконечные факторы являются основными причинами прогрессирующего заиления и загрязнения водных объектов на урбанизированных территориях.

Современное состояние водных объектов характеризуется значительными изменениями их природных свойств и угнетением оставшихся в естественном состоянии рек и ручьев. В настоящее время одних только природоохранных мер для сохранения городских водных объектов недостаточно, необходимо осуществление специальных инженерно-мелиоративных и экологических мероприятий, направленных на восстановление природно-территориальных комплексов городских водных объектов.

Немаловажным фактором, влияющим на принятие тех или иных инженерно-технических решений, является состояние природно-территориального комплекса водного объекта – самого водоема и водосборной (прибрежной) территории – в современных (реальных) условиях. Следовательно, требуется глубокое и детальное изучение всех значащих признаков, характеризующих качественное состояние природно-территориального комплекса того или иного водного объекта, и оценки их возможного влияния на существо принимаемого технического решения.

Существующие в настоящее время подходы к оценке экологического состояния водных объектов можно разделить на 3 группы:

1. Компонентный подход, основанный на измерении 6–9 приоритетных показателей, включая содержание кислорода и биохимическую потребность в кислороде;

2. Комплексный подход, заключающийся в совместном использовании биологических методов в комплексе с данными по гидрохимии.

3. Экосистемный подход, который состоит в оценке не только качества водной среды в водоеме, но и экологического состояния водосбора и рассмотрении его как целостной экосистемы.

Данные методы рассмотрены в работах Сидоренко А.В. (2003 г.), Чермных Л.П. (2005 г.), Черепановой Ю.А. (2005 г.), Носаль А.П. (2006 г.). При компонентном и комплексном подходах оценивается только качество воды, а экологическое состояние прилегающей территории не учитывается и показатели состояния водосбора в мониторинг не включаются. Экосистемный подход ввиду отсутствия единого понимания самой экосистемы и унифицированных показателей оценки ее экологического состояния также ещё не получил достаточно широкого распространения (Могилюк С.В. (2005 г.), Голованов А.И., Зимин Ф.М., Козлов Д.В. и др. (2008 г.)).

Для комплексной оценки экологического состояния водного объекта и водосбора был предложен «ландшафтный (системный) подход», который позволяет принять в качестве объекта антропогенного воздействия элемент биосферы в виде ландшафта – генетически однородного природно-территориального комплекса (Голованов А.И., Зимин Ф.М., Козлов Д.В. и др. (2008 г.)). Таким образом, в составе водосбора можно выделить несколько ландшафтов различного уровня и определить границы воздействия.

Для решения задачи восстановления природной среды водного объекта необходим выбор вполне определенных критериев, основанных на системном подходе к проблеме восстановления природно-территориального комплекса водного объекта и отражающих качество жизни человека. Их можно разделить на две взаимосвязанных группы:

– критерий, отражающий качество водной среды в водоеме;

– критерий устойчивости ландшафтов, входящих в состав водосбора.

В главе 2 «Источники и виды загрязнений городских водных объектов» рассмотрены вклады различных источников в загрязнение городских водных объектов и определены основные типы загрязнений водных объектов.

Значительный вклад в загрязнение водных объектов вносят источники «первичного» загрязнения, т.е. источники, способствующие поступлению в поверхностные воды загрязняющих веществ, имеющих происхождение от отходов, или являющихся продуктом реализации непосредственно технологических процессов (физическое и химическое загрязнения).

Источники «первичного» загрязнения способствуют образованию в водных объектах источников «вторичного» загрязнения, т.е. источников загрязнения, сформировавшихся в результате физических, биохимических и прочих процессов в водных объектах после поступления в них ингредиентов от источников «первичного» загрязнения.

Существенную роль в ухудшении качества воды, общего экологического состояния водоемов, в том числе в изменении внутрирусловых процессов, играют сточные воды, отведенные в водотоки.

Источники водного питания водных объектов, расположенных в условиях нарушенного и слабонарушенного ландшафтов, показаны на рис. 1.

Рис. 1. Источники водного питания водных объектов, расположенных в условиях нарушенного и слабонарушенного ландшафтов

Из приведенной диаграммы видно, что основная масса загрязнений поступает в водные объекты вместе с естественным поверхностным (35%) и техногенным грунтовым (32%) стоками. В сумме они составляют порядка 70% всего водного питания водных объектов. Если анализировать диаграмму по вкладу в загрязнение водных объектов поверхностным и грунтовым стоками в отдельности, то становится очевидным, что доля каждого из них составляет примерно половину (55% и 45% соответственно).

Загрязнения, поступающие в водные объекты с урбанизированных территорий, имеют различную физическую природу и химические свойства и условно разделяются на: физическое («мутьевое»); химическое; биологическое; бактериальное; радиоактивное; тепловое.

Используя опытные данные Государственного унитарного предприятия «МосводоканалНИИпроект», определены вклады различных источников в физическое и химическое загрязнение водоемов города Москвы. Результаты исследований приведены на диаграммах (рис. 2а; б).

аб

Рис. 2. Вклад различных источников в физическое (а) и химическое (б) загрязнения воды

Таким образом, из приведенных диаграмм (рис. 2а; б) становится очевидно, что дождевые стоки и талые воды оказывают значительное влияние как на физическое (в сумме они составляют более половины всего их водного питания), так и на химическое загрязнение воды (в сумме они составляют около половины всего их водного питания), в отличие от промышленных стоков, вклад которых велик только в химическое загрязнение воды (около половины всего их водного питания). Это объясняется смывом дождевыми и талыми водами значительного количества нерастворенных примесей, содержащихся в грунтах, на поверхности которых сорбированы различные виды загрязнителей, которые влияют на общее экологическое состояние водоема.

Структурно-логическая схема возможного изменения экологического состояния водного объекта от воздействия техногенных загрязняющих веществ показана на рис. 3.

Рис. 3. Структурно-логическая схема возможного воздействия загрязняющих веществ на водные объекты