• 5

4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ: ЗАГРЯЗНЕНИЕ ПРИБРЕЖНЫХ ВОД: ЗАЛИП ГЕРМА Й КОС (МАКЕДОНИЯ, ГРЕЦИЯ)

Здесь представлены результаты исследования качества воды в за­ливе Термайкос по оценкам на 12 станциях за период 1984-1990. На всех станциях с сезонной частотой измерялись: температура. рН, соле­ность. концентрация растворенною кислорода, нитриты, нитраты, ам­миачные соединения, фосфалл, силикаты, тяжелые металлы, общие Колиформы и Е-коли. Общая тенденция состоит в том, что загрязнение увеличивается с юга на север и от открытого моря к устьям рек. Это отражает загрязнение от бытовых источников с северных районов и с Усп,ев рек. Математическое моделирование переноса и конечного со- еюяпня загрязняющих веществ в заливе используется для оценки риска :афязнения. Обсуждается также использование моделей при анализе Различных комбинаций между выбором места сброса и степенью очи­тки сточных вод.

Для анализа долгосрочных качественных характеристик ирпбреж- "Ых необходима информация метеорологическою и кдпматическо- г° Характера частности, в условиях глобальною потепления полезно

оиснить возможное влияние на качество воды в сценариях изменения климата. Это можно изучить при имитационном моделировании, как будет показано ниже на примере Средиземного моря, залива Гермай- кос, Македония. Греция. Вопрос сюит следующим образом: каково влияние удвоения содержания диоксида углерода в атмосфере (сцеца- рий2хС02> на качество воды? В нашем примере будет рассмотрено только прямое влияние изменения температуры на качество воды. Кос­венные эффекты, вызванные изменением количества сточной или осад- ковой воды в водоеме, не рассматриваются.

Описание Залива Термайкос

Залив Термайкос находится в северо-западном углу Эгейскою мо­ря, его ширина - 15 км с максимально открытым пространством между полуостровом Агерада на западе и Эпаноми па востоке (рисунок 8.12). Максимальная "высота" залива с севера па юг - 45 км, его общая пло­щадь - 473 км-; рисунок 8.13 схематично показывает глубину залива. Термайкос открыт только с южной стороны. В него входят бассейны сточных вод с большого источника реки Аксиос и с трех небольших (с точки зрения количества сточных вод) - рек Ллиакмои, Лондиас, Гаяикос. (рисунок 8.12). Все три реки протекают круглый год со скоро­стью потока, варьирующейся от 10 м^/с до -100 м-Vc в зависимости or времени года. Скорость потока также сильно изменяется в связи с исрс- тулярным стоком от сельскохозяйственных мероприятий (Гаиулис, 1991а). В залип также сбрасываются сточные воды с юрода Салоники (1.000.000 жителей).

 

 

 

Рисунок 8.12 - Географическое положение Залива Гер.майкое.

GREECE ^С-^

ЗАЛИВ ГЕРМАЙКОС

 

 

 

 

Рисунок 8.13 - Замеры глубины Залива Термайкос (и м.).

Основная климатологическая информация о регионе показана таблицах 8.2 и 8.3. Преобладающие ветры - юго-востчные летом северные ссверо-чаиадные зимой Сильные ветры (>15 m/s) нечасты недолги, длятся от 1 до 2х дней, обычно зимой.

Таблица 8.2 Метеорологические характеристики Залива Тсрмайк Температура в период 1930-75 (Ганулис, 1988а)

темп Январь Февраль Март Апрель Май Июнь

Макс

17.5    22.6 22.3 25.4

19.6    24.0

 

темп

Июль

Август

Сен-

Ок­

Но-

Де-

Годо­

|°q

 

 

тябрь

тябрь

яорь

кабрь

вые

Мин

25.4

25.4

20.2

14.2

9.5

5.2

15.3

Макс

28.3

28.4

25.4

21.5

14.5

11.5

17.5

££.           

26.8

26.5

22.4

17.2

12.4

8.0

16.2

(to)1 Aiec

I Iliesscicr.ki

Таблица 8.3 • Метеорологические характеристики Залива Термайкос: Осадки в период 1930-75 (Г'анулис 1988а)

пдсяп  япп фев мар аир май июнь

^аки.|мм)

41 35 40 41

49

37

 

 

хЛесяН

июль авт. сент.

окт.

ноя

дек

пГ.'ШКИ .|"ММ]

27 20 31

51

56

55

 

Сила по шкале

1-2 3-5

6-7 >=8

Кофорга

 

 

 

1-3 3-10

10-17 >-17

Начальная разработка системы канализации в городе Салоники показала на рисунке 8.1 И. Рисунок показывает верхнюю часть залива, известную как залив Салоники. Основной колпектор отходов (SC) это туннель (2м в диаметре), который находится на средней глубине 20 метров. Эта труба собирает все отходы города с востока па запад. Она заканчивается на водоочистной станции (TP), расположенной недалеко от реки Гали кос (рисунок 8.14). Па станции используется прогрессив­ный метод очистки сточных под, включающий их биоокисление. После их очистки вода спускается и реку Аксиос при помощи системы двой­ных труб в районе между водоочистной станцией и рекой Аксиос (ри­сунок 8.14). Дизайн станции был изменен в связи с возникающими проблемами качества воды. Они состоят в том. что скорость потока реки Аксиос постоянно уменьшалась та последние несколько лет, что привело к более слабому растворению сточных вод. В то же самое вре­мя, для защиты речных и прибрежных вод нужно использовать новые критерии качества воды в соответствии с директивами Европейского С оюза. Прибрежная зона рядом с устьем реки считается защитной зо­ной повышенного значения с экологической точки зрения. В соотвсгст- Bmi с конвенцией RAMSAR, тта площадь является специально защи­щенной. Оценка загрязнения воды в заливе дана в таблице 8.4.

 

LONIKI

Рисунок 8.14 - Сбор сjочных под и водоочистительная станция ю- рода Салоники

В ближайшем будущем планируется биологическая очистка всех сточных вод, а сейчас проводятся предварительные операции (1992). в течение этого переходного периода очистка сточных вод производится в верхней части пролива (точка РЕ) с помощью канавы, расположенной параллельно руслу реки Галикос (рисунок 8.14). Влияние местных по­селений, особенно концентрация колиформ изучались с помощью ме­тодик оценки риска и математического моделирования (Ganoulis, 199 Id; 1992).

Для ттото были подняты такие важные вопросы, как:

а необходим ли подводный сброс воды (S | на рисунке 8.14);

b.         если да. то где лучше его разместить;

c.         каков оптимальный уровень очистки воды по отношению к воз­можной ев грофикации залива.

Таблица 8.4 Уровень загрязнения залива Салоники

Истопники м грячнеггия

Скорость потока (м'/усиь)

БПК5 (кг/дснь)

N

(кг/дснь)

р

(кг/дснь)

Сточные ВОДЫ

150.000

60,000

10,000

•1.000

Промышленные с точные яоды

60,000

10.000

5,000

0

Аксиос

зима 170 м /с пгсто 20 м^.'с

50,000

16,000

4,000

Ллиакмон

■jhm.i S0 м /с лето Ю« /с

20,000

3,000

900

Лоулиас

.зима 30 м ."с лето 10 м с

20.000

3.000

900

Насосные стан­ции

к 3 зима 15 м /с

лето 2 м /с

20,000

4.000

",00

Модели циркуляции воды

Нами была разработана треххгерная гидродинамическая модель, которая имитирует циркуляцию воды под воздействием ветра па раз­личной глубине. Гидродинамическая модель объединяет в себе уравне­ния Навьс-Стокеа в peineiKc с конечной разностью; она описана в обычной прямоугольной системе координат на (итоскости х-у, и с по­мощью преображенной координаты G = (z — £)/U вдоль вертикаль­ной оси-/.. Н глубина воды и £ - высота поверхности.

11а основе имитационной) моделирования и измерений на месте были определены образцы средней циркуляции воды в зимний и лет­ний периоды, ((ianoulis, 1988а; 1990). 11рпливно-отливныс течения не Принимаются во внимание: общий подъем воды во внутреннем заливе не превышает 30 см. Измерения показывают, что летом возникает очень сильная стратификация воды: более теплые слои остаются не­подвижными, находясь над более холодными слоями; ото приводит к возникновению относительно бескислородных условий на глубине. В отличие от лета, зимой более холодные и плотные слои разрушают стратификацию и создают условия для удовлетворительного верти­кального смешения в водном столбе. Соответственно, худшие условия для -шрязнения создаются летом.

Понимание процесса циркуляции воды очень важно. Все преды­дущие измерения течений с использованием плавучих якорей, дрей­фующих буев и приборов для измерения течений (Balopoulos &. James,

1984; Ganoulis & Kontitas, 19X1) и математических моделей (Ganoulis & Koutiias, 1981; Kjestenjtis & Ganoulis, 1987) привели к следующим $a. ключеииям: (а) приливные течения очень малы (< 5 см/с); (Ь) внешняя циркуляция из Северного Эгейского моря создаст течение, входящее в залив вдоль восточною побережья, создает циклонную циркуляцию, (с) все течения в основном вызваны ветрами.

 

Рисунок 8.15- Трехмерная решетка, используемая в гидродинами­ческих подсчетах

Летом морские бризы создают остаточную щфкуляцию воды, чю очень 1ИПИЧНО для способа переноса зафжияюших веществ. На самом деле, это самое важное циркуляционное состояние для адвекции за­грязнителя, так как, в связи с тем, что течения малы, наблюдаете» большая концентрация загрязнителя. В современных математических моделях исНо;ц>зуются гидродинамические условия устойчивого со­стояния. соответствующие преобладающим ветрам.

Для оценки риска загрязнения в заливе используется модель кон­вективной дисперсии. Для численной интеграции необходимых для модели уравнений были разработаны различные численные алтригмы. Алгоритмы, основанные на конечной разности или конечных элемен­тах, имеют недостатки и не учитывают эффектов численной диффузии и концевых эффектов. Модели Ла1ранжа, основанные на моделирова­нии случайного блуждания, или использование смешанною подхода Эйлера-Лафанжа достаточно надежны для модели|Юпапия конечного

продукта загрязнения и заливе Термайкос ((ianoulis, 1990, 1991а). _>ш модели были опробованы в похожих случаях, где были доступны ана­литические решения, и они были утверждены с использованием соб­ран л ой информации. Их приняли в качестве инструментов для изуче­ния влияния некоторых коррективных мер на качество воды в заливе.

Опенка качества поды

Мониторинг характеристик качества воды и обработка информа­ции основа формулировки компьютеризованных математических мо­делей и нахождения необходимых корректирующих мер для защиты окружающей среды. Основная цель итого - оценка настоящей ситуации и заливе Термайкос и анализ влияния сточных вод. Как показано на рисунке 8.16. соотпетствующис станции забора образцов были равно мерно распределены на площади залива. Исследовательское судно «ТТЛ!С» (длиной 13 м) п течение 1984-90 обработало более 2500 об­разцов воды. Кроме течения и ветров, были исследованы следующие параметры возле поверхности, на средней глубине и возле дна с сезон­ной частотой:

(a)       Температура, соленость, плотность, концентрация растворен­ною кислорода, pll:

(b)       Питательные вещества, такие, как NO?". NO,". Ml,.1, Р044".

SiO/;

(c)        Общие колиформы и К-коли;

(d)       Тяжелые металлы: Cd, Pb и Си.

Тяжелые металлы также исследовались в донных отношениях. Изменения параметров качества воды очень велики как во времени, так и в пространстве. 13 качестве примера приведем временные показатели содержания нитратов на станции 1, расположенной возле г. Салоники, как показано на рисунке 8.17. Эти изменения являются результатом неравномерных физических условий Средиземного моря. Приливы очень низки, и циркуляция, вызванная ветром, очень нестабильна и изменяется в пространстве. Поэтому статистический анализ выполнял­ся е учетом сильных колебаний данных. На рисунке 8.18 показана кон­турная линия равной концентрации растворенного кислорода. >то среднее значение в период 1984-89 на ложе моря.

 

Рисунок 8.16 - Местоположение с ганций забора образцов бух Салоники

О         J Я 12 1о 20 i*

Рисунок 8.17 - Временные промежутки концентрации ннграто (NO3-) на станции 1 возле поверхности

 

Рисунок 8.1 S - Распределение растворенного кислорода (РК) в за­чине Термайкос (средние значения в период 1984-89 возле ложа моря)

sWb^

\)\*/v     , 1 О —

V"        - ,

I- * - л \ i

г           ,           L

(а) '      (Ь)

Рисунок 8.19 - Экспериментальные результаты распределения РК возле дна залива (средние годовые значения - (а) 1992 и (Ь) 1991) (Ga- •юн lis, 1988а; 1990)

Из этих данных можно сделать заключение о статистических тен­денциях к повышению загрязнения воды с юга па север (из-за высокой плотности населения) и к эстуариям рек (из-за высокой загрязняющей нафузки). Различаются четыре зоны от очень плохого до отличного качества воды (Ganoulis, 1988а).

Нужно отмстить (рисунки 8.18 и 8.19), чю среднегодовой объем Растворенною кислорода был непостоянен, особенно в 1991 и 1992.

Улучшение наступило в 1992, возможно, благодаря вводу в эксилуага. ' цию в начале 1992 водоочисги тельной станции.

Экологически чувствительные прибрежные зоны в районе залива, которые требуют особых защитных мер, показаны на рисунке 8.20. Очи включают в себя основную часть западного побережья вблизи рек. где глубина волы мала, и большие количества питательных веществ попу- паю г из рек.

 

О         Ю        20

£72 ЗАЮПОЧВйЧАЯ ТЕРРИТОРИЯ ШИЛ устричная 4tiw « тдесдныи cfpoc

Рисунок 8.20 - Чувствительные зоны залива Термайкос

 

В этой части залива находятся устричные фермы, которые произ­водят миллионы тонн устриц в год. С вводом в эксплуатацию водоочи­стных сооружений необходимо оценить риск заражения моллюсков колибакгериями. Хлорирование воды нужно использовать с большой острожностыо (Бен Амор и др., 1990), чтобы избежать образования ТНМ (Три-Гало-Мегана) в прибрежных водах.

Оценка риска загрязнения воды была сделана с и с польют двух методик, описанных в главе 4:

(1) имитационное моделирование случайного блуждания.

 

(2) использование данных о потоках, вызванных ветром, и форме временных промежутков.

г Для обоснования моделировании случайного блуждания изучалась пеадьная ситуация на месте расположения водоочистных и водосточ­ных сооружений (Иалиомана, место РЕ на рисунке 8.21)

 

■ СТАНЦИИ УПРАВЛЕНИЯ Г ПОДВОДНЫЙ СБРОС

Рисунок 8.21 - Чувствительные зоны возле Иалиомана

Обоснование базируется на выборе «лучшего» значения двух па рамегров: коэффициента дисперсии D и времени гибели бактерий Т^,. Используя данные из образцов, был сделан выбор этих коэффициентов путем классифицирования (Ganoulis, 199Id, 1992). Этот случай показан "а рисунке 8.22а, где были получены значения D-4 м"/с и Т ~5 часам.

 

СТАНЦИИ УГГАНГи-ИЯ Ч 'ЮДЕЮДНЫЙ С EPOC

(а)

50 г

 

И         Г)         го        »

ШТШ УС ГР ИЧНА Я <tf РМА ■ СТАЩИМ УПРАВЛЕНИЯ ПОДООДИЫЙ СБРОС

(Ь)

Рисунок 8.22 - Контуры концентрации Е-коли: моделирование ре­альной ситуации (а) и с использованием подводного сброса Sj (b)

10" частиц использовалось в течение всею периода моделирова­ния. Небольшие колебания из-за статистическою характера метода не очень важны. Используя неподвижную решетку, был произведен н°Д"| счет количества частиц в ячейке решетки, и были получены конт равной концентрации (рисунок 8.22(a), (Ь)).

 

Необходимо отметить, что отбор образцов производился также и ночью. Значение Tw=5 часам представляет среднее значение между дневными и ночными показателями. Результаты моделирования пока­заны на рисунке 8.22а и они хороню соотносятся с измерениями (Ga­noulis, 1992). Сравнение было основано па концентрации СК|> (80% об­разцов с показателями С < Cyj). Эти концентрации должны соответст­вовать стандартам ЕЭС для устричных ферм. Д|тя дальнейшего раство­рения сточных вод подводный сброс поды был отличным решением (рисунок 8.22Ь).

Когда доступны временные параметры течений (рисунок 8.23), метод прямого моделирования, основанный на смешении частиц со случайными скоростями потоков, даст более реальные результаты. Этот метод использовался для оценки риска загрязнения из двух источ­ников сброса в заливе.

2СО

too

V

X

Е о

о

ZD

-ICC

-200

О         XXX)   200С  эиии

Т (х!5) min

Рисунок 8.23 - Временные промежутки скорости течения и ЛИТЕРАТУРА

Ганулис, Ж. (1994): Инженерный анализ риска загрязнения воды; вероятности и нечеткие множества, Вайихайм, Ныо- Йорк, Базель, Кембридж, Токио, 306 с.

 

Авторы: 1379 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я

Книги: 1908 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я