РЕЗУЛЬТАТЫ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ ПАРАМЕТРОВ ГЕОЭКОСИСТЕМЫ ПРИ СБРОСЕ СТОЧНЫХ ВОД ГАЗОПЕРЕРАБАТЫВАЮЩЕЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

АННОТАЦИЯ

В данной статье представленны экологические проблемы, возникающие при утилизации сточных вод в геоэкосистемах, связаные, чаще всего, с потерей качества самой геоэкосистемы, основным источником загрязнения экосистемы, является выброс подтоварной воды который приводит как к загрязнению сточных вод, так и наносит серьёзный вред экологии. По результатам проведенных нами исследований было установлено, что техногенная нагрузка в ПТС должна быть увязана с саморегулирующей способностью системы, так как в настоящее время потенциал самовосстановления природной системы превышен, и не обеспечивает устойчивое состояние комплекс мероприятий основанный на очистке подтоварной воды жидкими поглотителями, позволяет ликвидировать риски попадания воды с высокими отрицательными показателями в экологию.

ABSTRACT

This article presents environmental problems that arise during wastewater disposal in geoecosystems, most often associated with the loss of quality of the geoecosystem itself, the main source of ecosystem pollution is the release of produced water, which leads to both wastewater pollution and causes serious harm to the environment. Based on the results of our studies, it was found that the technogenic load in the PTS should be linked to the self-regulating capacity of the system, since at present the self-healing potential of the natural system is exceeded and does not provide a stable state; a set of measures based on the purification of produced water with liquid absorbers allows eliminating the risks of water with high negative indicators entering the environment.

Ключевые слова: природно-техническая система, гео экосистемы, техногенез, природоемкость, микродисперсия, влагозапасы,

Keywords: natural-technical system, geoecosystems, technogenesis, natural capacity, microdispersion, moisture reserves,

Любое техническое сооружение, находящееся на конкретной территории, взаимодействует с природой настолько тесно, что для изучения этого взаимодействия совокупный комплекс природной среды и ее техническое насы­щение необходимо рассматривать совместно, как единую систему, которую определяют как природно-техническую систему или ПТС [1]. Вполне естественно ожидать, что это образование будет непременно оказывать некое влияние на природные системы в силу того, что оно всесторонне использует природную среду - от извлечения из неё компонентов до размещения отходов. Однако, чтобы понять и оценить возможность размещения ПТС в том или ином регионе и утилизацию в ней отходов с тем, чтобы защитить окружающую среду от их негативного воздействия, необходимо понять процессы, протекающие в ПТС, особенно в той ее подсистеме, которая будет непосредственным участником утилизации отходов.

Экологические проблемы, возникающие при утилизации сточных вод в геоэкосистемах, связаны, чаще всего, с потерей качества самой геоэкосистемы. Экологические риски в ПТС связаны с внутренними характеристиками системы, с воздействием внешних факторов техногенеза и в основном подтоварная вода имеет следующий состав.

Таблица 1.

Состав подтоварной воды на газоперекачивающем заводе

Теоретическое обоснование воздействия техногенеза на природный ландшафт дано в работе И.И. Мазура, О.И. Молдаванова [1]. Наиболее эффективным инструментом решения вопросов о природоемкости территории, оценке рисков и возможности использования геоэкосистемы ПТС для утилизации отходов является матема­тическое моделирование [3, с. 32-39, 3,4].

Методика исследований. Ситуационное моделирование природных комплексов рассмотрено в работах А.Г. Олейника, А.Я. Фридмана [5, с. 90-103], Ю.Н. Павловского [6], Р.А Полуэктова и др. [7]. При отсутствии баз данных использование этих моделей затруднено при практическом проектировании систем. Следует отметить, что технология идентификации еоретических моделей не отработана и в настоящее время такие исследования, по крайней мере, в нашей стране не проводятся.

При изучении и проектировании ПТС использовался метод математического моделирования для рассмотрения изучаемых объектов в качестве разновидностей сложных систем [9, 10, с. 25-36]. По способу использования модель выбрана оптимизационная, включающая все элементы, необходимые для решения постав­ленной задачи. При этом приняли гипотезу, что подвергаемые синтезу математические модели каждой операции должны описывать приход сточных вод и примесей со сточными водами в ПТС и их массоперенос в сопредельных средах.

В основе научных исследований природно технической системы лежал ряд принципов.

1. Обоснование геокомплексного устройства природно-технической системы, единства и взаимосвязи всех природных и техногенных процессов и явлений.
2. Необходимость глубокого анализа роли техногенного фактора в экодестабилизации и экодеструкции геоэкосистемы.
3. Антропогенная оптимизация нарушен­ной природной среды.

Результаты исследований. Источником техногенной опасности при утилизации сточных вод газоперерабатывающей промышленности является предприятие, осуществляющее соответствующий вид деятельности. При этом наибо­лее значительным влияниям и изменениям подвергаются почвы и грунты зоны аэрации и звенья гидросферы, которые являются ресурсами наиболее потребляемыми, и в тоже время в наибольшей степени влияющими на здоровье насе­ления (подземные и поверхностные воды).

Основной критерий безопасности ПТС при сбросе сточных вод на земледельческие поля орошения (ЗПО) можно записать как

U≤ Т_з + О _к’                                                                            (1)

где О_к - комплекс восстановительных мероп­риятий.

Вероятность перехода геоэкосистемы из одного состояния в другое зависят от того, ка­ковы функциональные изменения геоэкосисте­мы. В геоэкосистеме ЗПО появляются локаль­ные изменения параметров. Формирование на­капливающихся изменений происходит по схе­ме их суммирования.

х_n = а_o + x_n1 + x_n2 + … + x_nn ,                                                           (2)

При длительном переходе развития системы можно, на основе экспериментальных исследова­ний, определить их средние показатели, которые характеризуют изменения в почвах и подземных водах. Тогда для условий ЗПО уравнения накоп­ления поглощенного натрия и легкорастворимых солей в почве будут иметь следующий вид:

x _Сол= а_о + q (n -1),                                                                  (3)

x_натрия = b_o + m (n -1),                                                              (4)

где х_сол - накопление легкорастворимых солей в почве,%;

x_натрия - накопление поглощенного натрия в почве, мг-экв на 100 г почвы;

а_о - исходное содержание легкорастворимых солей в почве;

b_o - исходное содержание поглощенного натрия в почве, мг-экв на 100 г почвы;

q - интенсивность накопления легкорастворимых солей в почве,%;

m - интенсивность накопления поглощен­ного натрия в почве, мг-экв на 100 г почвы.

Повышение уровня грунтовых вод на ЗПО носит циклический характер, связанный с сезонностью сброса сточных вод. В результате многолетних исследований установлена закономерность динамики подземных вод, с максимумами в период сброса и минимумами в период понижения уровней в зимний период, которую можно записать как:

y = -n cos2π-1,                                                                           (5)

где у - уровень грунтовых вод, м;

n - интенсивность подъема уровня грунто­вых вод, м;

t - период исследований, 1981-2001г.г.

y = n_o - n cos2π 1,                                                                       (6)

где n_o - исходное состояние подземных вод перед сбросом сточных вод, м. Интегральная характеристика подъема уровней грунтовых вод за период эксплуатации ЗПО имеет вид:

dy/dt=-n_o  n cons2πt                                                              (7)

На основе полученных данных, на ЗПО предусмотрена трехуровневая система мер по минимизации воздействия: оптимизация рН почвенного раствора, качественного и количественного состава легкорастворимых солей, уровня грунтовых вод.

Как правило, моделирование процессов миграции солей в почве начинается с определения параметров физико-химических свойств почвы и химических свойств сбрасываемых сточных вод и грунтовых вод. Прогнозирование ведется с использованием стандартных уравнений солевого баланса [11, 12, с. 174-281].

Уравнения характеризуют накопление или убыль солей в расчетном слое на ограниченной территории, на которой площадные изменения основных компонентов невелики. На более обширных территориях, где колебания этих элементов более значительны, процессы накопления или убыли солей можно описать уравнениями водносолевого баланса в развернутой форме.

Существует ряд методов определения геомиграционных параметров. Основное одномерное уравнение микродисперсии в гомогенной среде имеет вид:

D -v  = n                                                                     (8)

В реальных координатах необходима замена x → πr², v → Q/m, начальное условие С (х, 0) = С_о, граничные условия зависят от региона вытеснения солей сбрасываемыми сточными водами. При сплошном вытеснении С (0, t) = С^о.

Применяя интегральное преобразование Лапласа-Карсона,

C=exp(-pt)dt                                                                  (9)

получим

D  -v  =pn (C-C₀)                                                           (10)

где р - параметр преобразования.

Решение уравнения имеет вид:

C==                                                                  (11)

где а =  -v/2D

Правая часть уравнения (11) может быть найдена по таблицам, приведенным в работе Д.М. Каца, В.М. Шестакова [12, с. 174-281]. Вводим поправочный коэффициент (Кг), установленный автором для корректировки коэффициента фильтрации в условиях ЗПО. Тогда уравнение примет вид

а=-v/Кг/2D                                                   (12)

где С- безразмерная концентрация;

С_о - фоновая концентрация солей в почве, г/м³;

х - глубина увлажняемого слоя, м;

v - скорость фильтрации, м/сут;

D - коэффициент дисперсии;

С^о - концентрация солей во входном сечении, г/м³;

п - пористость;

К - поправочный коэффициент;

С - текущая концентрация, г/м³.

Решение уравнения производится с использованием разработанного программного продукта.

Изменение во времени концентрации солей в какой-либо точке равно поступлению солей в результате разности концентрации почвенного раствора, переноса солей движущейся водой и вследствие растворения твердой фазы солей и поступления их в раствор. Для прогнозирования засоления почвы необходимы исходные данные, то есть физико-химические свойства почвы, грунтовых, оросительных и дождевых вод.

Исходя из анализов этих проб, можно дать экологическую оценку текущего состояния почвы, пригодности воды для сброса. В ходе анализа содержания солей вычисляются некоторые параметры для моделирования процессов миграции солей в почве. Используя данные, полученные при анализе проб, производится расчет физико-химических свойств почвы и грунтовых вод на следующий год. Мероприя­тия по восстановлению ПТС рекомендуются после прогноза состояния системы. В ходе следующей итерации используются уже полученные данные, причем можно изменить параметры сбрасываемых вод и параметры геоэкосистемы, то есть параметры, которыми управляют свойствами почвы. Таким образом, можно получать системы с заданными свойствами и проектировать некоторый запас прочности и надежности.

Основываясь на полученных данных, анализируют тенденции изменения почвы и своевременно принимают необходимые меры для поддержания и улучшения ее качества. В ходе математического моделирования были исполь­зованы экспериментальные данные за 8 лет на нескольких экспериментальных участках и лизиметрах с различными условиями. В ходе анализа полученных данных выбирались параметры, коэффициент корреляции которых был больше 0,3, так как параметры с коэффициентом корреляции менее 0,3 будут незначительно влиять на результаты.

Для расчета прихода солей в почву автором предложено уравнение, учитывающее разовую норму сброса и концентрацию солей в сбрасываемых водах:

Мс = 100хg (w - w₀) с_вn,                                                                          (13)

где Мс - масса солей, т/га;

х - глубина увлажняемого слоя почвы, м;

g - плотность почвы, т/м³;

w - w₀ - изменение влагозапасов в почве,%;

с_в - концентрация солей в сточной воде, кг/м³;

n - количество сбросов сточных вод.

По результатам оптимизации, полученным аналитически, проводится графическая интерпретация данных по содержанию солей в почве, полученных экспериментальным и расчетным путем. Алгоритм проведения операции следующий: вначале вводятся необходимые для расчетов основные данные, далее идет проверка ограничений на параметры. Затем анализируется почва на содержание легкорастворимых солей. На данном этапе система выясняет категорию почвы и возможные методы обработки данных, проводит подбор коэффициентов, которые будут использованы в математической модели.

На следующем этапе по математической модели идет прогнозный расчет на определенный период с возможностью изменения некоторых данных через интервал в один год. Причем содержание солей в почве рассчитывается на глубину увлажняемого слоя почвы. Полученные результаты выводятся как в табличном ва­рианте, так и в виде графиков.

Обсуждение результатов. По результатам проведенных научных исследований было установлено, что техногенная нагрузка в ПТС должна быть увязана с саморегулирующей способностью системы, так как в настоящее время потенциал самовосстановления природной системы превышен, не обеспечивает устойчивое состояние и необходим комплекс мероприятий, направленных на восстановление системы. Необходимость оптимизации параметров природной подсистемы ПТС требует создания механизма, позволяющего оперативно прогнозировать ее состояние и находить соответствующие решения при негативном прогнозе. Таковым механизмом может быть математическая модель, адекватно отражающая суть процессов, происходящих в почве.

Математическая модель (определение внешних величин, описывающих свойства моделируемого процесса) идентифицирована автором. Тестирование модели на адекватность реальному объекту и программного средства на точность решения (верификация модели) начинается с проверки адекватности описания моделью ранее установленных свойств исследуемого процесса. Устанавливается качественное совпадение свойств объекта, полученных из анализа расчетных зависимостей, с наблюдаемыми свойствами. Далее сравниваются параметры оптимизации, которые могут быть измерены непосредственно в физическом экспе­рименте, с вычисленными параметрами оптимизации при совпадающих граничных услови­ях и проводится оценка совпадения этих величин методами математической статистики. В результате проведенных исследований были получены данные и построен график для оценки эффективности работы программы. Сравнение данных теоретических и экспериментальных для прогнозирования засоленности почвы с интервалом в 1 год показывает, что расхождения между экспериментальными дан­ными и расчетными незначительны. Следовательно, этот метод допустим при расчетах прогноза динамики солей для участков ЗПО со сточными водами газоперерабатывающей промышленности. Прогноз необходимости промывок показал, что содержание солей в почве ЗПО не достигло критического значения, следовательно, промывки не нужны.

На основе проведенных расчетов, для моделирования процессов перераспределения ионов кальция и натрия в почвах ЗПО была построена координатная сетка изменения коэффициентов фильтрации, концентрации ионов натрия и кальция в почвенном растворе. При ограничении параметров оптимизации принималось, что моделируется перераспределение ионов натрия и кальция в первые пять дней при установившейся их концентрации после сбро­са сточных вод. При моделировании учитывались гидродинамические факторы почвы. Для тяжелых глин и суглинков ЗПО характерно изменение коэффициентов фильтрации в широ­ких пределах в зависимости от механического состава и влажности почвы, физико-химических процессов, протекающих при сбросе сточных вод.

Ставим задачу по рассмотрению распределения концентраций ионов натрия в почве ЗПО на глубину увлажняемого слоя почвы при коэффициенте фильтрации, равном нулю, что характерно для почв ЗПО, находящихся длительное время в увлажненном состоянии. Результаты распределения концентраций ионов натрия по почвенному профилю при постоянных параметрах глубины и концентрации почвенного раствора во входном сечении 50 мг/л, при коэффициенте фильтрации равном нулю, пока­зали, что концентрация ионов натрия в почвенном растворе остается постоянной по глубине на протяжении всего эксперимента.

При решении задачи с переменными значениями коэффициента фильтрации, равными 0,02; 0,2; 0,5 и 1,0 м/сут., при равномерном распределении солей, постоянных параметрах глубины и концентрации почвенного раствора - 50 мг/л во входном сечении, установлено, что перераспределение ионов натрия в почве не за­висит от величин коэффициентов фильтрации почв. Перераспределение концентрации ионов натрия в почвенном растворе идет во времени и по глубине. Вынос ионов натрия по почвенному профилю производится на глубину более 0,5 м. При постановке задачи с постоянными значениями коэффициента фильтрации почвы 0,5 м/сут., равномерном засолении, постоянных параметрах глубины и концентрации почвенного раствора равной 56 мг/л во входном сечении, перераспределение ионов кальция по почвенному профилю в первые пять дней после сброса не происходит, идет насыщение почвенного раствора. Расчет ущербов от загрязнения земель производится с помощью программного комплекса, рисунок 1.

Нами разработан ряд графических моделей для прогнозирования перераспределения ионов натрия и кальция при различных параметрах: концентрации почвенного раствора, с перемен­ными значениями коэффициента фильтрации. Данные модели могут быть использованы как для прогнозирования при практическом сбро­се сточных вод, так и для формирования пара­метров геоэкосистемы при проектировании.

Разработанный нами программный комп­лекс включает в себя программные модули для проектирования параметров геоэкосистемы, расчета ущерба и платы за загрязнение земель­ных, водных и воздушных ресурсов (рисунок 1) и оценки индивидуального риска здоровью на­селения по методике ЕРА (США). Программ­ные продукты зарегистрированы в Националь­ном информационном фонде неопубликованных документов.

Рисунок 1. Фрагмент укрупненной схемы программного модуля «Кадастр»

Таким образом, в результате численного моделирования установлено, что перенос ионов натрия в первые пять дней после сбро­са сточных вод при установившейся концен­трации почвенного раствора не зависит от гидродинамических параметров геоэкосисте­мы, но зависит от концентрации легкораство­римых солей в сформировавшемся почвенном растворе. По истечении этого срока в почве устанавливается исходная концентрация по­чвенного раствора. Перераспределение ионов кальция по почвенному профилю в первые пять дней не происходит. Полученные мате­матические и графические модели позволяют вести проектирование геоэкосистем с задан­ными свойствами, а затем с помощью про­граммного комплекса давать оценку экологи­ческих рисков окружающей среде и здоровью населения.

Список литературы:

1. Мазур И.И., О.И.Молдаванов. Курс инженерной экологии: Учеб. Для вузов /Под ред. И.И.Мазура - М.: Высш. шк., 1999. - 447 с.
2. Гамм Т.А., Жуков В.А. Типизация гидрогеодинамических расчетов. Вопросы региональной геоэкологии и геологии. Совме­стный выпуск Оренбургского филиала Г орного института УрО РАН и Южно - Уральского отделения МАНЭБ.- Оренбург. - с. 32 - 39.
3. Сидоренко Г.И., Сидоренко Д.Г., Моделирование фильтрационных потоков в неоднородных в изотропных и анизотропных средах. // Методы математического моделирования и информационные технологии. (Труды ИПМИ, вып. 3.) - Петроза­водск, 2002.- с. 282.
4. Саиду Г., Блэнару В., Дрега М., Рэуцэ К. Контроль и прогнозирование плодородия мелиорируемых почв. - М.: Колос, 1984. - 77 с.
5. Олейник А.Г., Фридман А.Я. Ситуационное моделирование природно-технических комплексов // Информационные техно­логии и вычислительные системы. -2002. - №2. - с. 90-103
6. Павловский Ю.Н. Имитационные системы и модели. Сер. «Математика., кибернетика». М.: Знание, 1990, № 6. - 46 с.
7. Полуэктов Р.А. и др. Динамические модели агроэкосистемы. - Л.: Гидрометеоиздат, 1991. - 312 с.
8. Гидродинамические расчеты на ЭВМ: Учебное пособие /Под. ред. Р.С. Штенгелова. - М.: Изд - во МГУ. 1994. - 335 с.
9. Александров Г. А., Голубятников Л. Л. Моделирование зкологических рядов. - М.: ВЦ АН СССР. 1991 - 24с.
10. Полуэктов Р.А., Топаж А.Г., Миршель В. Сравнение эмпирического и теоретического подходов в математическом модели­ровании агроэкосистем на примере описания фотосинтеза. /Математическое моделирование, 10, N 7, 1998. - с. 25-36.
11. Харченко С.И. Гидрология орошаемых земель. - Л.: Гидрометеоиздат, 1975. - 358 с.
12. Кац Д.М., Шестаков В.М. Мелиоративная гидрогеология. - М.: Изд-во Московского университета, 1981. - с. 174-281.