Принципы оптимизации качества воды водоема-охладителя БГРЭС-1 для технологических целей

Введение. Водоём-охладитель БГРЭС-1 создан зарегулированием стока р. Береш в районе впадения в неё рек Базыр и Кадат; верхняя часть бассейна р. Береш расположена в юговосточной части Кузнецкого Алатау, средняя и нижняя части – на территории Енисейско-Чулымской котловины. Характер регулирования стока – сезонный, уровень воды в водохранилище регулируется сбросом в нижний бьеф через р. Береш [1].

Заполнение водоёма началось в августе 1986 г. При проектировании водоема-охладителя БГРЭС-1 были недостаточно проанализированы данные по гидрометеорологическим параметрам района строительства, в том числе не учтены гидрогеологический характер местности и направление господствующих ветров; не проведена инвентаризация источников загрязнения рек, неверно интерпретированы данные температурного режима водотоков, формирующих будущий водоем-охладитель. В верховьях водоема-охладителя на территории пойм рек было запроектировано размещение карт-хранилищ золошлакоотвалов, разгрузка фильтрационного потока которых проходила в реки и водохранилище. Преимущественное направление ветров на водоеме и естественное течение рек приводили к механическому скоплению и блокированию водозабора ГРЭС загрязняющими объектами, появляющимися на водоеме в период его наполнения и формирования качества воды. В районе верхнего бъефа водоема в р. Кадат поступают стоки коммунальных очистных сооружений г. Шарыпово.

Таким образом, при выполнении проекта строительства БГРЭС-1 были допущены просчеты, которые способствовали возникновению ситуации экологического риска для экосистемы водного объекта. Отепление воды в водоёме-охладителе и вышеперечисленные факторы послужили причиной эвтрофирования водоёма, ухудшения санитарно-бактериологических, гидрохимических характеристик качества воды.

Цель исследования . Разработка и реализация программы мониторинга качества воды водоема-охладителя БГРЭС-1 путем отбора проб и определения качества воды стандартными методиками аналитического контроля.

При этом учитывались специфические особенности природно-техногенной системы водоема-охладителя БГРЭС-1. Результаты натурных исследований использовались для разработки и выполнения научно обоснованных рекомендаций по рациональному природопользованию. Результаты мониторинга качества воды также важны для составления рекомендаций по обеспечению экологической безопасности территории, прилегающей к природно-техногенному комплексу. Интерпретация результатов дает возможность выявить факторы формирования качества воды, что входит в задачи исследования. Обработка данных мониторинга методами математической статистики явилась научной основой для прогноза качества воды в краткосрочной и долгосрочной перспективе.

Объекты и методы исследования . Натурные наблюдения на водоеме-охладителе проводили в течение десяти лет, начиная с 1987 г. Пробы воды отбирали в характерных по специфике влияния различных факторов на качество воды восьми точках акватории водоема (рис. 1), с интервалом два месяца. Контроль качества воды проводился по 18 показателям. Первичные результаты мониторинга представляют собой массивы численной информации [2]. Для структурирования и анализа массива данных был сформирован специальный программный комплекс, включающий ряд методов прикладной статистики [3]. При обсуждении результатов учитывались такие факторы, как специализация водоема, его морфология, гидрологические параметры, характер водосбора, т.е. те факторы, которые определяли физические, химические и биологические свойства водного объекта.

Рис. 1. Карта-схема водоема-охладителя БГРЭС-1

Распределение свойств по акватории водоема представляли графически в виде изолиний, для чего использовали элементы геоинформа-ционного моделирования (ГИС-технологии). Для выявления скрытых периодичностей использовали периодограммы (методы спектрального Фурье-анализа) и автокорреляционные функции (методы авторегрессии и проинтегрированного скользящего среднего). Одновременно получали линии трендов – нециклических компонентов временного ряда, которые показывают влияние долговременных факторов, эффект которых проявляется постепенно. Для выявления связей детельствует линия тренда на рисунке 2.

Рис. 2. Сезонные колебания и многолетний тренд температуры в устье сбросного канала БГРЭС-1 (точка 4)

Увеличение температурной нагрузки на водоём отрицательно повлияло на кислородный режим, что способствовало интенсификации процессов эвтрофирования [1]. Отепление акватории сбросного канала приводит к преоблада- между наблюдаемыми показателями качества воды вычисляли матрицы парных линейных корреляций и кросс-корреляций [4]. Структуру матриц изучали с помощью факторного анализа (методы итеративных общностей и ортогонального преобразования пространства факторов).

Результаты и их обсуждение. Водоёмы-охладители имеют специфический термический режим, обусловленный тепловым сбросом воды, охлаждающей конденсаторы; влияние теплового сброса на термический режим водоёма проявляется на акватории водоёма, о чем сви- нию деструкционных процессов над продукционными, о чем свидетельствует сравнение трендов содержания кислорода в районе сбросного канала и центральной части водоема.

Рис. 3. Сезонные колебания и многолетний тренд концентрации растворенного кислорода (мг/дм3) в приплотинной части (точка 8)

Кислородный режим в приплотинной части водоема определялся, с одной стороны, поступлением кислорода в результате фотосинтетической деятельности фитопланктона, а с дру- гой – значительным расходованием кислорода на разложение органического вещества, аккумулирующегося в этой части акватории (рис. 3).

Рис. 4. Сезонные колебания и многолетний тренд показателя ХПК в районе основного торфяника (точка 5)

Формирование режима органических и биогенных веществ происходило под влиянием многочисленных факторов, как общих для всех водоёмов, так и специфичных для данного водоёма. Период первого повышения показателя ХПК связан с массовым поступлением гумусовых веществ из всплывших торфяников и тепловым сбросом первого энергоблока; период второго повышения показателя ХПК связан с влиянием теплового сброса работающих двух энергоблоков ГРЭС. Линия многолетнего тренда показателя ХПК (рис. 4) в период 1995–1996 гг. в точке 5 проходит круче, чем в других частях акватории водоема, что связано с увеличением объема торфа, транспортируемого за дамбу с остальной части акватории водоема.

Начиная с 1990 г. во внутригодовой динамике распределения фосфатов по водоему обнаруживалось закономерное уменьшение концентрации фосфатов с начала вегетационного периода. Вероятно, это произошло в связи с резким увеличением первичного продуцирования органического вещества фитопланктона и высшей водной растительности в этот временной период в результате аккумуляции фосфатов и отеплением водоема.

Рис. 5. Сезонные колебания и многолетний тренд концентрации фосфатов в устье реки Кадат (точка 3)

Сезонная периодичность в характере колебаний содержания фосфатов не обнаружена; очевидно, годовая периодичность связана со сроками внесения фосфорных удобрений на поля и поступлением их с дождевыми водами в реки, а затем в водоем. Можно сделать вывод, что круглогодичные процессы поступления соединений фосфора с речным стоком и из затопленного торфа нивелируют сезонные закономерности их колебаний, отмеченные в водоемах, не испытывающих значительных антропогенных поступлений. Поступление органических, биогенных веществ с реками в небольшой по объему малопроточный водоём привело к эвтрофикации его уже в первоначальный период заполнения [1].

Вй были разработаны и внедрены рекомендации по снижению темпов эвтрофирования и улуч- шения качества воды на участках акватории водоёма-охладителя БГРЭС-1, испытывающих пиковые антропогенные нагрузки. Проведение водомелиоративных работ – удаление участков заиления в районе устья сбросного канала, углубление прибрежной акватории – значительно изменило экологическую ситуацию в этих частях акватории водоема.

Для выявления связей между наблюдаемыми показателями качества воды вычисляли матрицы парных линейных корреляций и кросскорреляций [4]. Структуру матриц изучали с помощью факторного анализа (методы итеративных общностей и ортогонального преобразования пространства факторов). Было установлено, что значительная доля (более 30%) суммарной йб   а влиянием двух латентных факторов (рис. 6).

0,8

0,6

0,4

COL

о

T_1

о

_1

0,2

0,0

PO_

HPK_1

О

PH_1 о

PO4_1 о

FE_1

NO2_1

NO3_1

О •

NH4_1

О :

N_1 о

-0,2

-0,4

_

-0,6

-0,4

-0,2

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

Factor 1

Рис. 6. Расположение контролируемых показателей качества воды в двухфакторном пространстве без учета кросс-корреляций

Проведение факторного анализа с учетом кросс-корреляций показало, что два фактора ответственны за 36,4 % суммарной дисперсии 13 наблюдаемых параметров.

Природа первого фактора может быть названа с высокой степенью вероятности. Очевидна его связь с концентрациями биогенных соединений; колебания величины фактора полностью лишены сезонной периодичности.

Наибольшая среднегодовая величина фактора приходится на акваторию устья р. Кадат, поэтому первый фактор, влияющий на показатели качества воды водоема-охладителя, связан с поступлением биогенных соединений со стоком р. Кадат.

Колебания величины второго фактора имеют отчетливый циклический характер с лагом корреляционной функции, соответствующим пе- риоду в один год. Наибольшие среднегодовые значения второго фактора приходятся на акваторию, занятую мощными торфяными залежами в ложе водоема-охладителя; органические вещества затопленного торфа явились причиной появления в воде высокого значения показателя ХПК.

Загрязненный сток р. Кадат и процессы деструкции затопленных торфяных залежей под действием теплового сброса электростанции и гидрометеорологических условий привели к поступлению в воду водоема-охладителя растворенных органических веществ до 85,0 мг О/дм3 (по ХПК); биогенных соединений: до 2,5 мг/дм3 нитритов; 4,2 мг/дм3 нитратов; 4,7 мг/дм3 аммонийного азота; 0,7 мг/дм3 фосфатов.

Выводы . Таким образом, мониторинг водной экосистемы водоема-охладителя БГРЭС-1 и обработка результатов методами математической статистики позволили сделать заключение об экологическом состоянии водоема-охладителя БГРЭС-1 на современном временном отрезке. Высокий уровень антропогенного загрязнения обусловил развитие процессов эв-трофирования экосистемы водоема-охладителя.

Выявлены основные факторы эвтрофикации водоема-охладителя в ходе многолетнего мониторинга и обработки массива данных методами математической статистики. Первый фактор, влияющий на показатели качества воды водоема-охладителя, связан с поступлением органических и биогенных соединений со стоком реки Кадат. Второй фактор можно отождествить с геофизическими условиями, в том числе – гидрометеорологическими, от которых зависит температурный режим водоема-охладителя БГРЭС-1. Температура воды водоема является составляющей второго фактора, помимо естественных сезонных колебаний, она подвержена влиянию теплового сброса теплоэлектростанции. Температура влияет на процессы разложения органического вещества, а в первую очередь это – содержание органического вещества, характеризуемое показателями ПО и ХПК (пер- манганатная окисляемость и химическое потребление кислорода) затопленного торфа.