УДК 577.4:628.515

Л.М. Павличенко, А.С. Актымбаева

геоэкологическая Оценка трансграничного переноса загрязняющих веществ в р. Тобол

ТОО «Ecotera», КазНУим. аль-Фараби

В статье представлены результаты численного эксперимента по моделированию разбавления загрязненных медью сточных вод от г. Костаная до границы с РФ. Моделирование выполнено в вероятностной постановке для всего интервала обеспеченностей (от 5 до 95%). Кроме того, на основе той же модели произведена оценка изменения концентрации меди в фоновых створах и сточных водах.

В настоящее время проблемы загрязнения окружающей среды сточными водами крупных водоемов и водотоков Республики Казахстан достаточно остро ощущаются в таких регионах как Актюбинская, Восточно-Казахстанская, Западно-Казахстанская и др. Особенно остро эти проблемы стоят для трансграничных водотоков, когда затрагиваются межгосударственные интересы. В этом плане р. Тобол представляет исключительный интерес, поскольку трансграничные аспекты здесь имеют обоюдный характер. Река Тобол берёт начало в Оренбургской области, далее с запада в него вливается приток Желкуар, образующийся из двух рек – Синташты и Берсуат, формирующихся на территории Челябинской области. Следующими крупными притоками являются реки Аят и Уй. Их верховья находятся в Челябинской области, а низовья принадлежат Казахстану. По рекам Уй, Тогузак и Тобол проходит часть границы между Россией и Казахстаном. Тобол впадает в реку Иртыш с левого берега у г. Тобольск.

Качество воды в русле р. Тобол на участке нижний бьеф Каратомарского водохранилища – граница РФ, протяженностью 248 км, определяется состоянием вод в Верхнетобольском и Каратомарском водохранилищах, аккумулирующих трехлетний объем речного стока. Водоемы находятся в постоянной эксплуатации около 40 лет. За этот период они накопили в водной толще и донных отложениях значительную массу загрязняющих веществ. При попусках из водохранилища в речную сеть Тобола происходит вынос загрязняющих веществ, которые транзитом проходят по реке, изменяя при этом качественные характеристики воды на всем ее протяжении. К г. Костанаю происходит частичное разбавление загрязняющих компонентов, но после сброса сточных вод города их концентрации значительно возрастают. По данным Казгидромет, на выходе из города концентрация меди имеет максимальные превышения ПДК (27) при практически нулевых значениях на входе.

В настоящей работе рассматриваются результаты моделирования уменьшения концентраций меди в р. Тобол на участке г. Костанай – граница РФ. Результаты решения по модели плоской задачи [2-3] для обеспеченностей от 5 до 95% представлены в таблице 1. В приведенной таблице видим лишь небольшую часть результатов 19 моделей разбавления для пяти контрольных створов, в качестве которых выбраны 500, 2000, 5000, 10000, 50000 м и конечный створ на границе с Россией – 120000 м.

Наглядно процесс разбавления вдоль р. Тобол можно представить по рисунку 1.

Таблица 1

Результаты моделирования разбавления в р. Тобол сточных вод, загрязненных медью для разных обеспеченностей

Обеспеченность, %	Максимальная по ширине реки концентрация меди в створе, м
Обеспеченность, %	500	2000	5000	10000	50000	120000
5	0,0006	0,0003	0,0002	0,0002	0,0002	0,0002
10	0,0008	0,0004	0,0003	0,0003	0,0003	0,0003
15	0,0011	0,0005	0,0004	0,0004	0,0004	0,0004
20	0,0014	0,0007	0,0005	0,0004	0,0004	0,0004
25	0,0018	0,0009	0,0006	0,0005	0,0005	0,0005
30	0,0023	0,0012	0,0008	0,0007	0,0006	0,0006
35	0,0029	0,0015	0,0010	0,0008	0,0008	0,0008
40	0,0037	0,0019	0,0012	0,0010	0,0010	0,0010
45	0,0044	0,0022	0,0014	0,0012	0,0011	0,0011
50	0,0048	0,0024	0,0016	0,0013	0,0013	0,0013
55	0,0057	0,0029	0,0018	0,0015	0,0014	0,0014
60	0,0061	0,0033	0,0021	0,0017	0,0017	0,0017
65	0,0066	0,0035	0,0022	0,0019	0,0018	0,0018
70	0,0071	0,0036	0,0024	0,0020	0,0019	0,0019
75	0,0074	0,0037	0,0024	0,0021	0,0021	0,0021
80	0,0079	0,0038	0,0024	0,0021	0,0021	0,0021
85	0,0084	0,0039	0,0027	0,0024	0,0023	0,0023
90	0,0088	0,0042	0,0028	0,0026	0,0025	0,0025
95	0,0101	0,0044	0,0030	0,0027	0,0027	0,0027

Сравнение кривых и данных таблицы 1 показывает общую картину разбавления загрязнения для всего диапазона обеспеченностей: на первых пятистах метрах идет резкое снижение исходной высокой концентрации (0,027 мг/дм³) до 0,0101 мг/дм³ для расходов 95%-й обеспеченности и до 0,074 г/м³ для 75%-й (рис. 1). Влияние обеспеченности сказывается не характере кривой, а на величине снижения концентрации меди. Ниже ПДК на первых пятистах метрах концентрации меди становятся лишь для обеспеченностей 5% и 10%.

Рис. 1. Распределение концентраций меди вдоль р. Тобол ниже зоны сброса сточных вод для расходов средней обеспеченности (30-65%)

На интервале 500-2000 м темп разбавления несколько снижается, а на интервале 2000-5000 м это снижение уже значительно, т.е. для всех обеспеченностей основное разбавление происходит на пятикилометровом отрезке реки. Интервал 5000-10000 м четко проявляет влияние обеспеченностей на ход кривой – для средних и высоких обеспеченностей кривая имеет заметный градиент, в то время как для низких обеспеченностей уже на этом интервале кривая выполаживается, поскольку концентрация к этому участку значительно снижена, и для обеспеченностей 5-35% на этом участке она уже ниже ПДК. Последующие интервалы вплоть до границы с Россией имеют выположенный характер кривых, что свидетельствует об исчерпании экологической емкости реки.

Проведем теперь анализ изменения концентраций меди на отдельных створах. На рисунках 2-3 представлен характер изменения концентраций меди на створах 500, 2000, 5000, 10000 и 50000 м ниже сброса сточных вод в зависимости от обеспеченности стока.

Рис. 2. Изменение концентраций меди на створах 500, 2000 и 5000 м ниже сброса сточных вод в зависимости от обеспеченности стока

Рис. 3. Изменение концентраций меди на створах 10000 и 50000 м ниже сброса сточных вод в зависимости от обеспеченности стока

Из рисунка 2 видим, что изменение концентраций при росте обеспеченностей в каждом створе имеет практически линейный характер, причем по мере удаления от г. Костаная угол наклона кривой уменьшается, а сами кривые и их тренды сближаются, что особенно четко видно из рисунка 3, на котором представлены графики изменения концентраций меди в створах 10000 и 50000 м вместе с их трендами в более крупном масштабе.

Представленные на рисунках уравнения трендов дают возможность рассчитать ту величину обеспеченности, при которой в каждом створе будет достигнута концентрация ПДК по меди. Проведенные расчеты показали, что в створе 500 м концентрация рыбохозяйственных ПДК достигается при обеспеченности 14,1%, в створе 50000 м (а, следовательно, и в створе 120000 м на границе с РФ) при обеспеченности порядка 39%. Исходя из полученных обеспеченностей достижения ПДК в граничном с Россией створе, можно определить риск трансграничного загрязнения р. Тобол медью как разность между 100% и полученной обеспеченностью. В этом случае вероятность превышения ПДК по меди в граничном с Россией створе составит около 61%.

При оценке влияния изменения концентрации меди в сточных водах моделировался диапазон изменений концентраций меди в пределах от 0,5 до 5 исходных концентраций, за которую выбрана концентрация 0,027 мг/дм³. Как и прежде, оценка строилась на основе модели плоской задачи, при этом в качестве обеспеченности выбрана обеспеченность 60%, которая определяет максимальное расстояние до выравнивания концентраций по сечению реки и является близкой к средней обеспеченности.

Тренды зависимостей концентраций меди в р. Тобол от ее концентрации в сточных водах позволили рассчитать концентрации сбросов, при которых в каждом контрольном створе достигается концентрация ПДК. Расчеты показывают, что в р. Тобол для расходов 60%-й обеспеченности в створе 500 м концентрации меди ниже ПДК будут наблюдаться только при их концентрациях в сточных водах менее 0,00405 мг/дм³; в створе 2000 м – ниже 0,0081 мг/дм³; в створе 5000 м – ниже 0,0135 мг/дм³; в створах 10000, 50000 и 120000 м – ниже 0,0162 мг/дм³.

При оценке влияния наличия фонового загрязнения р. Тобол медью моделировались две концентрации меди в сточных водах – исходная фактическая концентрация 0,027 мг/дм³ и ее половинное значение 0,0135 мг/дм³. Концентрация 0,0135 мг/дм³ в сточных водах моделировалась диапазоном фоновых концентраций меди в р. Тобол в пределах от 0,1 до 0,25 значения ПДК по меди для водотока рыбохозяйственного значения (0,001 мг/дм³). Исходная фактическая концентрация меди в сточных водах 0,027 мг/дм³ для сравнения моделировалась только с фоном 0,1 ПДК. Результаты моделирования показали, что наличие фонового загрязнения не вызывает заметных изменений в направленность процессов разбавления, однако сказывается в замедлении их темпов. При этом замедление темпов оказывается пропорциональным величине фонового загрязнения. Так, если без фона общая величина темпа снижения на пятикилометровом отрезке составляла 13,9, то наличие фона в 0,1 ПДК, при половинной исходной концентрации меди в сточных водах привело к снижению темпа до 12,7, т.е. на те же 10%, которые дал фон.

Обобщение результатов всех моделей дает основание сделать вывод, что в р. Тобол в створе г. Костанай поступают недостаточно очищенные по тяжелым металлам (меди) сточные воды, т.е. существующие методы очистки не могут полностью справиться с концентрациями тяжелых металлов в сточных водах, поэтому необходимо применение дополнительных методов очистки.

Список использованных источников

1 Базарбаев С.К., Бурлибаев М.Ж., Кудеков Т.К., Муртазин Е.Ж. Современное состояние загрязнения основных водотоков Казахстана ионами тяжелых металлов. Алматы: «Каганат», 2002. -196 с.

2 Основы прогнозирования качества поверхностных вод. – М.: Наука, 1982. – 182 с.

3 Практические рекомендации по расчету разбавления сточных вод в реках, озерах и водохранилищах. – Л.: ГГИ, 1973. – 101 с.

L.M. Pavlichenko, A.S. Aktymbaeva

Results of calculations of maximum permissible copper dumps to the Tobol River in Kostanai city and an possibility estimation of transe-bounding copper carry

Company "Ecotera", Al-Farabi KazNU

In the article the results of calculation the maximum possible dump of cooper polluting substances, accepted by the requirements of water for fish-economy with the help of MPC are submitted. The calculations are made for three moments of time chosen for comparison of various periods from the point of view Kostanai City economic activity. Besides, with the help of a “flat task” model the contribution of pays off Kostanai City in trans-bounding carry of polluting substances on territory of Russia is calculated.