Повышение надежности и экологической безопасности функционирования гидромелиоративных систем



Увеличение НАДЕЖНОСТИ И ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ГИДРОМЕЛИОРАТИВНЫХ СИСТЕМ

Карпенко Н. П.

Всероссийский НИИ гидротехники и мелиорации им. А. Н. Костякова, Москва, Наша родина


Введение

В текущее время одним из приоритетных направлений развития агропромышленного комплекса является разработка Повышение надежности и экологической безопасности функционирования гидромелиоративных систем и внедрение природоохранных технологий, которые обеспечивают увеличение экологической безопасности функционирования техно-природных систем и содействуют предотвращению негативных процессов при антропогенном воздействии. В этом нюансе повышенное внимание отводится дилемме совершенствования управления гидромелиоративными системами (ГМС) и Повышение надежности и экологической безопасности функционирования гидромелиоративных систем увеличения экологической надежности их функционирования.

Под экологической безопасностью гидромелиоративных систем понимается такая форма их функционирования, при которой в течение службы эксплуатации все данные процессы, характеристики и характеристики системы в рамках Повышение надежности и экологической безопасности функционирования гидромелиоративных систем геоэкологических ограничений не вызывают опасность появления негативных последствий (экологических ущербов) либо компенсируются мелиоративными природоохранными мероприятиями. В современных критериях, когда сдерживающим фактором в решении многих задач Продовольственной программки является развитие и нарастание Повышение надежности и экологической безопасности функционирования гидромелиоративных систем деградационных процессов, неувязка увеличения экологической надежности функционирования гидромелиоративных систем становится в особенности острой не только лишь в Рф, да и в мире.

В последние годы функционирование гидромелиоративных систем в большинстве регионов РФ осложняется Повышение надежности и экологической безопасности функционирования гидромелиоративных систем из-за ухудшения технического состояния ГМС, моральной и физической изношенности оборудования, технических средств, несовершенства мелиоративных технологий и т.д. Так, в Волгоградской области по состоянию на 2000 год количество исправной дождевальной техники и насосных станций Повышение надежности и экологической безопасности функционирования гидромелиоративных систем составило всего 30-50%. Аналогичный уровень технического износа на мелиоративных системах наблюдается и на Северном Кавказе, где большая часть ирригационных систем имеет низкие характеристики гидравлической эффективности и эксплуатационной надежности (значение КПД ирригационных Повышение надежности и экологической безопасности функционирования гидромелиоративных систем систем не превосходит 0,7). За последние пятнадцать лет существенно уменьшились объемы забора воды на орошение, а поливные площади сократились на 40-45%; не считая того, за этот период в 10-15 раз снизился объем внесения в земли Повышение надежности и экологической безопасности функционирования гидромелиоративных систем минеральных и органических удобрений. В этих критериях предстоящее функционирование мелиоративных систем становится очень ненадежным и небезопасным из-за высочайшего риска отказов 1.

Изношенность главных фондов большинства функционирующих мелиоративных и гидротехнических сооружений за последние годы Повышение надежности и экологической безопасности функционирования гидромелиоративных систем стала высочайшей и достигнула 70-90%, и это дает основание гласить о приметной способности появления аварий по причинам техногенного и природно-техногенного нрава в самые наиблежайшие годы. К примеру, в 2002 году количество природно Повышение надежности и экологической безопасности функционирования гидромелиоративных систем-техногенных аварий было превышено на 18%, а по причинам техногенного нрава - на 30% (по сопоставлению с 2001 годом), и в предстоящем следует ждать их катастрофическое повышение.

Сначала нашего тысячелетия мы стали очевидцами больших природно-техногенных аварий в Повышение надежности и экологической безопасности функционирования гидромелиоративных систем работе гидротехнических сооружений из-за сильных наводнений на юге Рф (Краснодарский и Ставропольский края), отказ которых произошел на фоне огромного технического износа гидротехнических сооружений. Риск таких аварий значительно растет на Повышение надежности и экологической безопасности функционирования гидромелиоративных систем фоне участившихся природных катастроф, вызванных метеорологическими причинами, глобальным потеплением климата на Планетке и т.д. Обычно, удельный вес таких процессов составляет более 80%, которые приводят к потере управления природно-техническими системами и Повышение надежности и экологической безопасности функционирования гидромелиоративных систем вызывают суровые экологические последствия.

Техно и моральная изношенность главных фондов фактически на всех действующих гидромелиоративных объектах, выработка нормативных сроков эксплуатации технических средств, резкое сокращение объемов работ по реконструкции, строительству, эксплуатации и техническому обслуживанию Повышение надежности и экологической безопасности функционирования гидромелиоративных систем принуждают улучшать имеющиеся и находить новые пути понижения экологической угрозы функционирования техно-природных систем.

Проведенный анализ способов оценки функционирования мелиоративных систем в разных регионах Рф дает основание считать, что в текущее Повышение надежности и экологической безопасности функционирования гидромелиоративных систем время имеется два главных направления в решении задачи увеличения и обеспечения экологической надежности их функционирования 2.

1-ое направление связано с совершенствованием новых технологий и технических средств на базе разработки совершенных мелиоративных систем последнего поколения, позволяющих повысить Повышение надежности и экологической безопасности функционирования гидромелиоративных систем коэффициент использования воды, понизить утраты воды на фильтрацию и холостые сбросы, повысить качество полива за счет внедрения водосберегающих технологий и т.д. 2-ое направление исходит из совершенствования и увеличения эффективности производственных природоохранных Повышение надежности и экологической безопасности функционирования гидромелиоративных систем технологий, связанных с разработкой новых и достоверных способов оценки состояния и эффективности функционирования ГТС, методов более глубочайшей чистки почв, деминерализации сбросных и коллекторно-дренажных вод, утилизации дренажно-сбросных вод Повышение надежности и экологической безопасности функционирования гидромелиоративных систем и т.д.

Методология и способы решения задачи

Методологической основой исследований явились главные положения системного анализа, математического моделирования, теории вероятности и теории неравновесной термодинамики. Методика исследовательских работ заключалась в исследовании энергетических подходов к Повышение надежности и экологической безопасности функционирования гидромелиоративных систем оценке состояния природных систем, геоэкологических рисков и экологических ущербов.

Для решения поставленной задачи была разработана концептуальная модель функционирования гидромелиоративных систем, сущность которой состоит в компромиссном решении и согласовании объема и интенсивности антропогенных воздействий с Повышение надежности и экологической безопасности функционирования гидромелиоративных систем параметрами природной и инженерной подсистем (рис.1).




Рис. 1: Концептуальная модель функционирования гидромелиоративных систем


В базе концепции лежит обоснование и выбор технических средств и технологий, которые приспособлены к определенным природным особенностям гидромелиоративной системы, на Повышение надежности и экологической безопасности функционирования гидромелиоративных систем базе прогнозов вероятных негативных последствий в границах эколого-экономических ограничений. Приоритетное направление – выявление тех блоков и частей гидромелиоративных систем, при помощи которых представляется вероятным повысить экологическую надежность их функционирования.

Базу концепции составляют три Повышение надежности и экологической безопасности функционирования гидромелиоративных систем взаимосвязанных подсистемы ГМС: природной, включающей природные и техно-природные процессы; инженерной, состоящей из блока технических средств и технологического блока, и подсистемы управления, в базе которой лежат модели, информация и лицо, принимающее решение Повышение надежности и экологической безопасности функционирования гидромелиоративных систем в вопросах управления и эксплуатации данной системой.

Базисным методом концептуальной модели является разработка и формирование адаптивных технических средств и технологий на базе когерентных решений в согласовании антропогенных воздействий и характеристик Повышение надежности и экологической безопасности функционирования гидромелиоративных систем природного объекта с внедрением данных исследования термических и аква балансов, прогнозных оценок природных и техно-природных процессов, сценарных исследовательских работ, геоэкологических рисков и суммарных экологических ущербов. Результаты этих исследовательских работ являются научным Повышение надежности и экологической безопасности функционирования гидромелиоративных систем обоснованием для выбора экологически применимого и надежного варианта функционирования гидромелиоративной системы - реконструкции, модернизации, консервации, выведения из сельскохозяйственного оборота и т.д. Не считая того, выполненные прогнозы и сценарии функционирования ГМС являются основой для разработки Повышение надежности и экологической безопасности функционирования гидромелиоративных систем новых и поболее совершенных технических средств и технических решений, природоохранных технологий и мероприятий, которые нужны для понижения негативных воздействий тех компонент природной среды, которые нуждаются в чистке, рекультивации, восстановлении параметров, улучшении Повышение надежности и экологической безопасности функционирования гидромелиоративных систем свойства и т.д.

В рамках разработанной концептуальной модели функционирования гидромелиоративных систем основное внимание было уделено блоку, при помощи которого представляется вероятным повысить экологическую надежность функционирования гидромелиоративных систем. Для решения этого вопроса были привлечены Повышение надежности и экологической безопасности функционирования гидромелиоративных систем способы теории термодинамики открытых систем, которые употребляются для исследования неравновесных процессов. Исследования проявили, что перспективно проводить оценку эффективности гидромелиоративных мероприятий с внедрением термодинамических характеристик, а их экологически допустимые пределы позволяют смягчить нехорошие Повышение надежности и экологической безопасности функционирования гидромелиоративных систем последствие и понизить высочайшие антропогенные нагрузки. Подход, использующий термодинамические характеристики, базируется на исследовании нрава и направленности протекания неравновесных процессов и закономерностей энергетических перевоплощений в открытых природных системах.

Результаты и обсуждение

В Повышение надежности и экологической безопасности функционирования гидромелиоративных систем рамках термодинамического подхода термообмен в открытой системе «почвенный покров – атмосфера» является сложным процессом, который находится в зависимости от многих природных причин. Главным источником поступления тепла (энергии) в систему является Солнечная энергия. При исследовании термообмена Повышение надежности и экологической безопасности функционирования гидромелиоративных систем изучаемой системы предлагается использовать последующие всеохватывающие характеристики (они рассматриваются как потоковые и выражаются в интернациональной системе единиц - кДж/см2): радиационный баланс подстилающей поверхности почв, «индекс сухости» Будыко, энергия почвообразования Повышение надежности и экологической безопасности функционирования гидромелиоративных систем, расчетные зависимости определения которых обширно известны и приведены в работах 3, 4.

Были проведены расчеты по количественной оценке этих характеристик, которые проявили, что общая структура термодинамического баланса почв при проведении гидротехнических мелиораций изменяется; отклонение Повышение надежности и экологической безопасности функционирования гидромелиоративных систем отдельных энергетических характеристик (от естественных значений) при экологически подходящих ирригационных нормах очень значительно (табл. 1).


Таблица 1. Термодинамические характеристики составляющих энергетических балансов и их изменение при орошении гидромелиоративных систем

Ландшафтно-климатическая зона

Термодинамические характеристики

в естественных критериях

Термодинамические характеристики

при Повышение надежности и экологической безопасности функционирования гидромелиоративных систем орошении

Радиаци-онный баланс Rест, кДж/см2 в год

Энергия

почвооб-

разования , кДж/см2

в год

Энерго-обмен, J(U)ест= Rест-, кДж/см2

в год

Радиацион-ный баланс Rм, кДж/см2

в год Повышение надежности и экологической безопасности функционирования гидромелиоративных систем;

Энергия

почвооб-разования , кДж/см2

в год

Энергооб-мен J(U)м = Rм-, кДж/см2

в год


Лесостепная

155

89

66

160

96

64

Степная

165

90

75

170

100

70

Сухостепная

197

74

123

210

129

81

Полупустынная

200

55

145

220

138

82

Пустынная

230

34

196

265

174

91



Поток энергии Солнца трансформируется в термическую энергию, и на поверхности Земли радиационный баланс в годичном разрезе определяется последующей зависимостью Повышение надежности и экологической безопасности функционирования гидромелиоративных систем 4:

R = LE  B +А, (1)

где: R - радиационный баланс; LE – суммарные издержки на испарение; (Е – испарение, L – сокрытая теплота испарения); B – турбулентный термообмен меж атмосферой и поверхностью земли; А – поток тепла Повышение надежности и экологической безопасности функционирования гидромелиоративных систем меж поверхностью земли и нижележащими слоями.

Современный подход к исследованию и оценке антропогенных нагрузок включает не только лишь исследование отдельных составляющих процесса термообмена, да и анализ всей структуры термического баланса в целом, а внедрение Повышение надежности и экологической безопасности функционирования гидромелиоративных систем такового термодинамического понятия как энтропия позволяет оценить направление протекания процессов термообмена в системе «почвенный покров – атмосфера» 5.

Предлагается рассматривать изменение термического баланса подстилающей поверхности с учетом вегетационного периода функционирования ирригационной системы. В данном Повышение надежности и экологической безопасности функционирования гидромелиоративных систем случае уравнение (1) трансформируется в выражение вида 6:

R = LE  B - QП + , (2)

где: QП - «полезно используемая» работа в виде энергии почвообразования; - величина массообмена (Mi – масса i – го компонента; i – хим потенциал, характеризующий скорость обмена Повышение надежности и экологической безопасности функционирования гидромелиоративных систем); другие обозначения приведены выше.

Как показал выполненный анализ по исследованию структуры термических балансовых уравнений, при функционировании гидромелиоративных (ирригационных) систем в естественных критериях доминирующей составляющей становится турбулентный термообмен (энергоотдача) почвенного покрова с Повышение надежности и экологической безопасности функционирования гидромелиоративных систем приземным слоем атмосферы. При орошении же значительно возрастает «полезно используемая» работа, которую приближенно можно оценить как энергию, используемую системой на процессы испарения, транспирации, протекания разных физико-химических процессов в почве Повышение надежности и экологической безопасности функционирования гидромелиоративных систем и т.д.

Принимая, что при орошении турбулентная энергоотдача почв в окружающую среду в термическом балансе становится преобладающей, предлагается проводить оценку эффективности функционирования ГМС с внедрением интегрального показателя - интенсивности энергообмена почв с атмосферой. Исходя из Повышение надежности и экологической безопасности функционирования гидромелиоративных систем выражения (2), величина этого показателя может быть рассчитана по зависимости:

, (3)

где: - интенсивность энергообмена, R – радиационный баланс, QП - энергия почвообразования.

Необходимо подчеркнуть, что мелиоративная деятельность, и, а именно, орошение, содействует понижению интенсивности энергообмена Повышение надежности и экологической безопасности функционирования гидромелиоративных систем за счет совершаемой природной системой работы в виде роста издержек энергии на испарение, на процессы почвообразования и создание биомассы.

В качестве обобщенного интегрального показателя оценки состояния гидромелиоративных систем и аспекта оценки экологической Повышение надежности и экологической безопасности функционирования гидромелиоративных систем безопасности их функционирования предлагается использовать коэффициент термодинамического состояния - КJ, который после ранжирования может быть представлен в последующем виде:

(4)

где: J(U)ест – интенсивность энергии термообмена в естественных критериях; J(U)м Повышение надежности и экологической безопасности функционирования гидромелиоративных систем - интенсивность энергии термообмена при мелиоративных мероприятиях.

Реализация предложенного подхода была проведена для гидромелиоративных систем, расположенных в разных ландшафтно-географических зонах. Были рассчитаны величины радиационного баланса, энергии почвообразования и интенсивности энергообмена в Повышение надежности и экологической безопасности функционирования гидромелиоративных систем естественных критериях и при проведении ирригационных мелиораций.

Результаты проявили, что при орошении происходит повышение радиационного баланса и энергии почвообразования, понижение величины интенсивности энергообмена; при всем этом возрастает «полезная работа», совершаемой системой, что, в конечном Повышение надежности и экологической безопасности функционирования гидромелиоративных систем счете, понижает общую энтропию системы. В качестве приблизительных критериев оценки уровня экологической безопасности функционирования гидромелиоративных систем (исходя из коэффициента термодинамического состояния) можно принять экологически неопасный режим ГМС от 0,06 до 0,55 зависимо от Повышение надежности и экологической безопасности функционирования гидромелиоративных систем природно-климатической зоны (табл. 2).


Таблица 2. Оценка режима функционирования гидромелиоративных (ирригационных) систем, расположенных в разных природных зонах

Ландшафтно-климатическая зона

Коэффициент термодинамического состояния:



Режим функционирования

Экологически неопасный

(приемлемый)

Экологически допустимый

Экологически страшный

(недопустимый)

Лесостепная

0,03

0 – 0,06

0,06 - 0,10

 0,10

Степная

0,07

0 – 0,10

0,10 - 0,15

 0,15

Сухостепная

0,34

0 – 0,35

0,35 - 0,40

 0,40

Полупустынная

0,43

0 – 0,45

0,45 - 0,50

 0,50

Пустынная

0,54

0 – 0,55

0,55 - 0,65

 0,65



Выводы

В текущее время, невзирая на ослабление Повышение надежности и экологической безопасности функционирования гидромелиоративных систем антропогенных нагрузок на природную среду, их воздействие остается довольно высочайшим и фактически не понижается из-за малого уровня природоохранных технологий, свойства чистки, неидеальных технических средств и т.д.

Проведенные исследования и Повышение надежности и экологической безопасности функционирования гидромелиоративных систем предложенные подходы могут явиться основой для разработки общей теории функционирования гидромелиоративных систем, в какой вопросы увеличения надежности и экологической безопасности должны стать главными. Предложенный современный подход дает возможность оценить эффективность эксплуатации гидромелиоративных Повышение надежности и экологической безопасности функционирования гидромелиоративных систем систем, а внедрение интегральных термодинамических характеристик позволяет охарактеризовать режим функционирования рассматриваемых систем.

Разработанные количественные аспекты позволяют выявить не только лишь тенденцию в развитии природной системы, да и найти периоды конфигурации ее состояния и точки Повышение надежности и экологической безопасности функционирования гидромелиоративных систем бифуркации, которые определяют предстоящее «поведение» системы зависимо от вида антропогенной деятельности. Спрогнозированный нрав поведения техно-природных систем позволит обеспечить своевременное проведение природоохранных мероприятий, нужную эффективность и качество эксплуатации, и, как следствие Повышение надежности и экологической безопасности функционирования гидромелиоративных систем, дает возможность повысить урожайность сельскохозяйственных культур на гидромелиоративных системах.

Эколого-экономический эффект получается из-за эффективности природоохранных мероприятий и своевременного предупреждения негативных последствий и развития деградационных процессов. Для предотвращения и понижения Повышение надежности и экологической безопасности функционирования гидромелиоративных систем ненужных последствий воздействия антропогенной деятельности на окружающую природную среду нужна разработка комплекса упреждающих природоохранных мероприятий с более жесткими геоэкологическими ограничениями.

Своевременное проведение планово-предупредительных, природоохранных и других работ позволяет сберечь серьезные издержки на Повышение надежности и экологической безопасности функционирования гидромелиоративных систем восстановление характеристик техно-природной системы и ликвидацию негативных последствий, что обеспечивает сохранение и увеличение надежности и экологической безопасности функционирования гидромелиоративных систем.


^ Перечень ЛИТЕРАТУРЫ

1 Современные трудности мелиорации и пути их решения (1999). Юбилейный сборник научных трудов Повышение надежности и экологической безопасности функционирования гидромелиоративных систем. Т.1-2, М.: ВНИИГиМ.

2 Карпенко Н.П. (2004). ^ Увеличение экологической надежности функционирования мелиоративных систем. Мелиорация и аква хозяйство, М.: № 5, стр. 30-32.

3 Волобуев В.Р. (1974). Введение в энергетику почвообразования. М.: Наука, 128с.

4 Будыко М.И. (1971). Климат и Повышение надежности и экологической безопасности функционирования гидромелиоративных систем жизнь. Л.: Гидрометеоиздат, 472с.

5 Карпенко Н.П. (2006). Увеличение экологической безопасности функционирования техно-природных систем и методология ее решения. Доклады РАСХН, № 3, стр.59-62.

6 Манукьян Д.А., Карпенко Н.П. (2007). Экологическая безопасность функционирования Повышение надежности и экологической безопасности функционирования гидромелиоративных систем техноприродных систем: состояние, трудности и пути решения. Монография, М.: МГУП, 294с.



poverhnostnoe-ponimanie-i-lichnij-opit.html
poverka-cilindricheskogo-urovnya.html
poverka-osi-vrasheniya-zritelnoj-trubi.html