Управление качеством воды

Управление качеством воды

Управление качеством воды – система организационно-технических мероприятий, направленных на изменение режима физических и химических характеристик воды в эксплуатируемом водоеме, а также воды, сбрасываемой из него в расположенный ниже участок реки или другого водоема. Применяется с целью интенсификации процессов самоочищения воды в водохранилищах — источниках хозяйственно-питьевого водоснабжения, для которых не удается ограничить с помощью водоохранных мероприятий на побережье и водосборе приток загрязняющих и биогенных веществ и прогрессирующее вследствие этого ухудшение питьевых качеств воды.

Исключительное многообразие природных и техногенных факторов, определяющих своим сочетанием всю совокупность процессов трансформации химического состава воды в различных районах водохранилища и нижнего бьефа, исключает возможность использования типовых правил управления качеством воды даже в водохранилищах одного класса и расположенных в сходных географических условиях. Поэтому разработка экологически эффективных и экономичных мероприятий по управлению качеством воды в любом водохранилище, независимо от его размера, — сугубо индивидуальная в каждом случае задача. Решение этой задачи должно базироваться: а) на всестороннем знании гидрологического, гидрохимического, гидробиологического режима конкретного водохранилища и четко сформулированных водопотребителем требованиях к качеству воды в районе водозабора с указанием перечня показателей, затрудняющих технологию водоподготовки питьевой воды на водопроводных станциях; б) на многовариантном математическом моделировании процессов водообмена и трансформации водных масс во всем водохранилище и в водозаборном районе для имитации воздействия тех или иных мероприятий на изменение качества воды при различных вариантах детализации диспетчерских правил регулирования стока с учетом не только количественных, но и качественных его показателей. Использование имеющихся лимнологических моделей, сложными системами уравнений описывающих процессы в водоемах, позволяет четко сформулировать требования к надежности исходной информации, которая характеризует текущее экологическое состояние водохранилища. Это позволяет выбрать наиболее эффективные и экономичные мероприятия, разработать правила их осуществления при различных гидрометеорологических ситуациях, оптимизировать мониторинг управляемой экосистемы. Перечисленные условия внедрения мероприятий по управлению качеством воды в водохранилище важны потому, что воздействие на водную экосистему может привести не только к интенсификации самоочищения воды в водохранилище, но и к нарушению устойчивости ее функционирования, деградации, чреватой резким ухудшением качества воды в водоисточнике. В начале поиска оптимального способа управления качеством воды по математической модели выполняют имитационные расчеты возможного режима показателей состава воды в годы с экстремальной водностью половодья и межени, с максимальным паводочным притоком воды в водохранилище и при отсутствии паводков. Это позволяет оценить наиболее вероятный диапазон многолетних колебаний концентраций веществ, ухудшающих питьевые качества воды, степень их опасности для водоснабжения в условиях современной нагрузки водоема этими веществами и ожидаемой в перспективе тенденции развития хозяйства на водосборе и берегах водохранилищ.

Любые методы управления качеством воды следует рассматривать как альтернативные к возможному снижению нагрузки водоема загрязняющими воду веществами в результате профилактических водоохранных мероприятий на водосборе водохранилища. Хотя успех таких мероприятий всегда проблематичен ввиду трудности организации подобных профилактических мероприятий из-за их масштабности и сложности финансирования, тем не менее, задавшись наиболее реальной величиной снижения внешней нагрузки водохранилища, полезно по модели оценить вероятное изменение режима рассматриваемых характеристик качества воды в водоеме и водозаборном его участке в годы и сезоны разной водности.

В мировой практике управления качеством воды известны следующие методы: изменение графиков попусков основной водной массы в нижний бьеф гидроузла и сбросов загрязненных вод, аэрация воды, отвод гиполимниальных вод, осаждение фосфора, снижение концентрации биомассы фитопланктона или макрофитов, затенение водной поверхности, аэрация донных отложений либо их удаление или экранирование, дестратификация, устройство предводохранилищ. Выбрав из этих методов наиболее подходящие, выполняют имитационные расчеты по оценке их экологической и экономической эффективности в водохранилище в годы разной водности в сопоставлении с уже рассмотренными вариантами профилактических природоохранных мероприятий на его водосборе. На основании таких расчетов определяют оптимальный в экологическом отношении способ управления режимом заданных параметров качества воды в водохранилище, надежность обоснования которого соответствует современному уровню лимнологии. От выбранного метода управления зависит возможность экспериментальной его апробации на небольших участках акватории, иногда изолируемых от остальной массы воды различными материалами. Если такая возможность имеется, то целесообразно выполнить комплекс соответствующих наблюдений за функционированием экосистемы в пределах экспериментального участка и за его пределами и сопоставить затем результаты таких наблюдений и воспроизведение процессов на модели.

Такая экспериментальная проверка рекомендуемого метода управления качеством воды существенно увеличит обоснованность предлагаемого решения управленческой задачи. После принятия решения о внедрении разработанного метода управления качеством воды исследования завершаются разработкой схемы пунктов и состава мониторинга режима водохранилища для последующего совершенствования его математической модели, которая становится надежным инструментом оценки экологического состояния водохранилища и его краткосрочного прогноза, необходимых управленческому персоналу в оперативной диспетчерской работе. Для управления качеством воды при ее отборе насосными станциями из глубоководных участков с неоднородным по вертикали распределением параметров химического и биологического состава, а также для управления качеством воды, сбрасываемой в нижний бьеф из таких водохранилищ, используются математические модели селективного водозабора. При оперативном использовании таких моделей для конкретного водозаборного участка их алгоритм может быть преобразован в систему номограмм, удобных для обслуживающего персонала водозаборного сооружения. При этом такое сооружение должно быть выполнено в виде водозаборной башни с окнами на нескольких горизонтах водной толщи, а обслуживающий персонал должен иметь в своем распоряжении термокондуктометр, оксиметр и другие дистанционные датчики для регулярного наблюдения за изменением температуры, электропроводности, концентрации кислорода и других параметров качества воды (или для их автоматической регистрации) на вертикали перед водозаборной башней и в воде, отбираемой (сбрасываемой в нижний бьеф) из водохранилища.

Для охраны от загрязнений и управления процессами формирования качества воды наиболее благоприятны небольшие водохранилища емкостью до 0,5 км³, осуществляющие многолетнее регулирование стока рек. У таких водохранилищ площадь водосбора всего в 50-70 раз больше площади акватории, что позволяет выбрать наименее хозяйственно освоенные территории и ограничить на них развитие урбанизации и промышленного строительства. Такие резервные водосборы с заказным режимом землепользования целесообразно выделить в районах перспективного сооружения систем централизованного питьевого водоснабжения населения из поверхностных источников. Водохранилища указанного типа, размещаемые в верхних звеньях речной сети в отличие от равнинных водохранилищ на крупных реках характеризуются большой относительной глубоководностью, слабым водообменом и, следовательно, длительным средним временем пребывания водных масс, т.е. наибольшей потенциальной самоочистительной способностью водной экосистемы. Одновременно они надежно гарантируют заданную водоотдачу в маловодные фазы многолетних колебаний стока, а кроме того, имеют показатель удельных затоплений земель, вдвое меньший по сравнению с аналогичными водоемами на крупных реках. Больше в них и удельная длина береговой линии, что благоприятнее для развития водной флоры и фауны, самоочищения воды, а также для их рекреационного использования. Не снижая регулирующей способности водохранилищ рассматриваемого типа, увеличить самоочищающую способность воды в них можно, соорудив их в виде полисекционного водоема с главной секцией, включающей приплотинный и средний районы, и водоохранными секциями в верхних районах главной и боковой долин.