О В Соловьева - Эффективность гидротехнических сооружений в процессах самоочищения прибрежных вод - страница 1

Страницы:
1 

УДК 594.124:628.357:665.7

О.В.СОЛОВЬЁВА

ЭФФЕКТИВНОСТЬ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ В ПРОЦЕССАХ САМООЧИЩЕНИЯ ПРИБРЕЖНЫХ ВОД

Рассчитана площадь поверхности некоторых крупных гидротехнических сооружений севастополь­ской акватории. Используя данные о площади подводной части этих сооружений, приросте их по­верхности за счёт конструктивных особенностей и мощности биофильтра, формируемого на них митилидами (мидией и митилястером), разработан показатель для оценки относительной эффектив­ности гидротехнического сооружения (за счёт деятельности митилид) в процессах самоочищения прибрежных. С помощью этого показателя установлено, что интенсивность указанных процессов на единице площади (в пересчёте на 1 м2 проекции поверхности на плоскость) бетонной кладки на­бережной, тетраподной наброски, наброски бетонных массивов и каменной наброски соотносится как 19:10:8:1 соответственно.

В связи с активной эксплуатацией человеком прибрежной зоны моря, антропо­генный фактор существенно воздействует на формирование качества вод. Одним из эле­ментов, влияющих на этот процесс, являются морские гидротехнические сооружения (ГТС), наличие которых может оказывать существенное воздействие на экологическое состояние акватории. Несмотря на повсеместное использование ГТС в прибрежной зоне моря, в частности и Чёрного, в литературе практически не содержится данных об их уча­стии в процессах самоочищения прибрежных акваторий.

Основную часть (по биомассе) обрастания гидротехнических конструкций со­ставляют двустворчатые моллюски Mytilus galloprovincialis Lam. и Mytilaster lineatus Gmel. [1, 2, 3, 4], которые способны формировать мощный естественный биофильтр, что положительно сказывается на качестве вод вблизи митилидных поселений. Мощность биофильтра, формируемого на поверхности ГТС, зависит, в том числе, и от площади их поверхности, расчёт которой является важным элементом оценки влияния последних на экологическое состояние прибрежных вод.

Кроме оценки участия существующих ГТС в процессе формирования качества вод, актуальной задачей остаётся выработка рекомендаций относительно создания био­позитивных конструкций, т.е. таких, которые благодаря обитающей на них биоте, долж­ны максимально включаться в процессы самоочищения акватории [8]. Зачастую иссле­дуемые ГТС имеют разные характеристики митилидного обрастания (численность и раз­мерный состав) [7], что влияет на удельную мощность биофильтра (на 1 м2), а так же не­одинаковые конструкцию и размер. Это затрудняет сравнение эффективности ГТС как элементов санитарной очитки вод.

Целью данной работы стало определить эффективность участия ГТС различной конструкции в процессах самоочищения прибрежных вод. Для решения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:

         разработать расчётную схему и, используя её, оценить площадь поверхности ГТС;

         рассчитать коэффициенты, характеризующие развитость поверхности ГТС, связан­ные с их конструкцией;

         разработать показатель, позволяющий сравнивать эффективность участия ГТС раз­личных конструкций в процессах самоочищения морской воды.

Материал и методы. Как пример ГТС различной конструкции были выбраны южный мол у входа в Севастопольскую бухту (каменная наброска, частично прикрытая тетраподами), восточный мол Камышовой бухты (кладка и наброска бетонных масси­вов), набережная Севастопольской бухты на участке между мысами Николаевским и Хрустальным (кладка бетонных массивов). Для оценки площади поверхности гидротех­нических конструкций использовалась разработанная нами схема.

© О. В Соловьёва, 2008

90                                                                                                                    Экология моря. 2008. Вып. 76


Южный мол простирается на 380 м от берега, достигая глубины 15 м, и сосед­ствует с открытым морем и акваторией порта. Сооружение образовано каменной наброс­кой (мраморовидный известняк Балаклавского рудоуправления), часть которой укрепле­на железобетонными тетраподами Т-7,8 и Т-13 [9], вследствие чего, подводная часть мола имеет сложную конфигурацию, затрудняющую расчёты его поверхности. Схемати­ческое изображение конструкции мола дано на рис. 1.


Прежде чем перейти к оценке поверхности каменной наброски, определим, ка­кова была бы площадь поверхности мола, если бы он имел гладкую поверхность. Для этого поверхность мола представим моделью, изображённой на рис. 2, и решим ряд гео­метрических задач.

Площадь поверхности мола можно оценить как

S=2xS(ABC)+S(BCKL).

Чтобы не приводить весь расчёт, укажем его результаты: S(ABC)=4772, S(BLKC)=750, S=10294 м2.

Если оценить отношение площади поверхности отобранных нами камней к пло­щади участка, на котором они находятся, то на примере данной выборки можно полу­чить коэффициент, показывающий, во сколько раз возрастает поверхность мола за счёт каменной наброски.

Для оценки поверхности каменной наброски мола с наклонной поверхности его боковых граней случайным образом было поднято 14 камней, средний размер проекции на дно которых составлял 12*12 см. Сложную конфигурацию их поверхности, доступ­ной для поселения моллюсков, разбивали на элементарные плоские фигуры: прямо­угольники, треугольники, трапеции; рассчитывали их площадь, а затем суммировали. В данной выборке средняя площадь поверхности была 0,046±0,005 м2. В соответствии стакой моделью получен коэффициент равный 3,19, и площадь каменной наброски со­ставляет 32800 м2.

По данным, полученным при водолазном обследовании мола, а также на основа­нии информации о конструкции сооружения, любезно предоставленной специалистами ПИНИИ «Моргидропроектстрой», установлено, что на внутренней стороне тетраподы располагаются на расстоянии 300 м, а на внешней - 160 м от берега. Это позволяет опре­делить площадь защитного покрытия и, в соответствии со сводом правил [5], было рас­считано количество бетонных блоков марок Т-7,8 и Т-13 на поверхности мола, которое составляет 2136 шт. и 734 шт. соответственно.

Используя размеры блоков, установленные стандартом, можно рассчитать пло­щадь поверхности отдельных тетраподов по формуле (1):

S =4 -P-^J И? +(R —r )2   (R +r) +r2 J, (1)

где h1 - высота усечённого конуса;

R - радиус большего основания усечённого конуса;

r - диаметр малого основания усечённого конуса.

Площадь поверхности одного тетрапода Т-7,8 равна 4,58 м2, Т-13 - 6,75 м2. Учи­тывая эти данные и численность тетраподов, площадь, образуемая фигурными блоками на поверхности сооружения, составит 14700 м2.

Тетраподы, благодаря своей конструкции, практически не закрывают поверх­ность находящихся под ними камней. Поэтому считаем, что площадь подводной части сооружения складывается из площади каменной наброски и поверхности, образуемой тетраподами, что в сумме составляет 47500 м2.

Восточный мол Камышовой бухты имеет длину около 300 м. Его глубина у основания равна 0 м, а в районе оголовка достигает 19 м. Особенность конструкции вос­точного мола состоит в том, что данное сооружение создано из бетонных блоков массой 55 т. Корневая часть мола представляет собой причальную стенку (до 1/3 длины мола), а остальная часть сооружения образована хаотичной наброской бетонных массивов. Дан­ный тип конструкции позволяет увеличить площадь подводной части сооружения.

Принимаем, что ширина мола равна 10 м, длина - 300 м, глубина на оконечно­сти - 19 м, а у основания - 0 м. Тогда его площадь можно оценить, используя следую­щую схему (рис. 3).

1 00 м

 

 

 

 

 

300 м


Рисунок 3. Схема вос­точного мола Камышо­вой бухты

Figure 3. The scheme of the eastern pier of the Kamyshovaja Bay

 

 

 

 

 

 

Из подобия треугольников определим глубину мола в районе окончания при­чальной части сооружения: Х=19-100/300=6,3 (м).

Площадь гладкостенной части можно оценить, как площадь прямоугольного треуголь­ника:

S1=100-6,3/2=315 (м2). Оставшаяся часть может быть представлена как трапеция, площадь которой равна: 8тр=(6,3+19)/2-200=2530 (м2).

Можно предположить, что при хаотичной наброске бетонных массивов 2/3 по­верхности кубов остаются открытыми для доступа морской воды и поселения организ­мов. На стенке же, сложенной из блоков, для биоты доступна только 1/6 поверхности тела. Отсюда можно заключить, что при формировании наброски удаётся увеличить по­верхность ГТС в 4 раза. С учётом этого, площадь трапеции следует умножить на 4, т.е. площадь поверхности данного участка равна 10120 м2.

Торцевая часть мола представляет собой прямоугольник, а её поверхность мож­но оценить, как:  8т=19-10-4=760 (м2).

Исходя их полученных данных, можно подсчитать площадь поверхности вос­точного мола, которая равна: S=760+2- (315+10120)=21208 (м2).

Из них 630 м2 (менее 3 %) приходится на гладкостенную часть мола и 20578 м2 (97 %) -на долю хаотично набросанных бетонных массивов.

Отвесная бетонная стенка, каковой является большая часть набережной, являет­ся достаточно распространённым типом гидротехнических конструкций. Таким образом, создана большая часть берегоукрепительных и причальных стенок, пирсов, некоторые молы. В подобных случаях оценка поверхности сводится к расчёту площади плоской фигуры, образуемой конструкцией. Бетонная набережная (с некоторым допущением) представляет собой прямоугольную модель сооружения, площадь которой определяется произведением протяжённости на среднюю глубину подводной части.

Если считать средней глубиной подводной части набережной между мысами Николаевским и Хрустальным 2 м, а её протяжённость около 3500 м, то её площадь под­водной части составит около 7000 м2.

В настоящей работе использованы данные об обёмах воды, фильтруемых мити-лидами на пверхности исследуемых ГТС, полученные нами ранее [7].

Результаты и обсуждение. В процессе оценки поверхности каждого из соору­жений мы подсчитали, какова была бы поверхность подобного сооружения гладкостен-ной конструкции, и определили, насколько она возрастает, благодаря неровностям. Та­ким образом, мы получили различные показатели развитости поверхности сооружений, которые в некоторой степени характеризуют его биопозитивность. В табл. 2 приведены эти величины, а также их отношения. Из этих данных видно, что наибольший прирост площади дают наброска бетонных массивов, а также каменная наброска.

В табл. 2 приведены два показателя, характеризующие самоочистительную зна­чимость сооружений: с одной стороны, объёмы воды, фильтруемые митилидами, обита­ющими на 1 м2 их поверхности (Уф, м3-сут.-1-м-2), с другой стороны, коэффициенты, ха­рактеризующие развитость их поверхности (К).

Произведение этих величин (Р)

P =Уф - K

позволит нам сравнить роль существующих конструкций в процессах самоочи­щения прибрежных вод (табл. 3). Полученная величина позволяет судить, насколько эф­фективно митилиды, обитающие на площади, соответствующей единице (1 м2) проекции поверхности данной конструкции на плоскость, участвуют в процессах самоочищения.

Для наглядности в последней строке табл. 3 приведено примерное соотношение величины Р каждой из конструкций и наименьшей из них Рщь (в данном случае - камен­ной наброски).

Из данных табл. 2 видно, что для приведённых типов конструкций ведущую роль в формировании их участия в процессах самоочищения вод играет не развитая по­


верхность, а характеристики поселения митилид (численность и размерный состав), определяющие мощность создаваемого ими биофильтра. Иными словами, крупные соо­ружения с развитой поверхностью могут не создавать большого эффекта (см. табл. 2). Характеристики поселения митилид, в свою очередь, могут определяться как типом по­верхности, так и местными условиями оседания и обитания моллюсков. Например, на различных участках набережной численность мидий и митилястеров отличалась на по­рядок [7].

Интенсивность процессов самоочищения воды на поверхности каменной на­броски существенно ниже, чем на других исследованных конструкциях, представляю­щих собой бетонные массивные или фасонные блоки. Если исходить из того, что ГТС, благодаря обитающей на них биоте, должны максимально включаться в процессы само­очищения акватории [8], то такого рода каменную наброску нельзя рекомендовать для гидротехнического строительства. В данном случае бетонные конструкции являются бо­лее эффективными с точки зрения их влияния на процессы естественного самоочищения прибрежных вод.

Заключение. Произведение объёма воды, фильтруемого митилидами, обитающи­ми на 1 м2 поверхности ГТС и коэффициента, описывающего развитость их поверхности, позволяет сравнивать эффективность существующих ГТС в процессах самоочищения при­брежных вод. В соответствии с предложенным показателем, интенсивность указанных процессов на бетонной кладке набережной, тетраподной наброске, наброске бетонных мас­сивов и каменной наброске соотносится как 19:10:8:1 соответственно. Интенсивность про­цессов самоочищения воды на поверхности каменной наброски существенно ниже, чем на других исследованных конструкциях, представляющих собой бетонные массивные или фа­сонные блоки. Если исходить из того, что ГТС, благодаря обитающей на них биоте, долж­ны максимально включаться в процессы самоочищения акватории, то такого родакаменную наброску нельзя рекомендовать для гидротехнического строительства. В данном случае бетонные конструкции являются предпочтительными.

1.       Миловидова Н. Ю. Количественная характеристика мидий и митилястров гидротехнических сооружений и их роль в самоочищении портовых акваторий // Экология моря. - 1986. - Вып. 23. - С. 78 - 82.

2.       Миловидова Н. Ю., Цимбал И. М. Фитообрастания гидротехнических сооружений в портовых акваториях некоторых черноморских бухт // Экология моря. - 1984. - Вып. 17. - С. 76 - 79.

3.       Миронов О. Г., Кирюхина Л. Н., Алёмов С. В. Санитарно-биологические аспекты экологии се­вастопольских бухт в XX веке. - Севастополь : ЭКОСИ-Гидрофизика, 2003, - 185 с. - (НАН Украины, Институт биологии южных морей)

4.       Миронов О. Г., Миловидова Н. Ю., Цымбал И. М. Формирование бентосных сообществ на но-восозданных моловых сооружениях // Гидроб. журн., 1983. - XIX, № 1. - C. 48 - 52.

5.       Проектирование морских берегозащитных сооружений : СП 32-103-97. [введён в действие с 03.11.97] - М. : Корпорация "Трансстрой". - 1998. - 141 с. - (Свод правил).

6.       Соловьёва О. В. Вклад мидии и митилястера в процессы самоочищения Севастопольской бух­ты // Сборник научных трудов Тернопольского университета. - 2006. - № 29 (2). - С. 72 - 74.

7.       Соловьёва О. В. Потоки нефтяных углеводородов через поселение мидий, обитающих на юж­ном молу Севастопольской бухты (Чёрное море) // Морск. экол. журн. - 2007. - 4, № 4. - С. 61 - 68.

8.       Тетиор А. Н. Устойчивое развитие города - М., 1999. - В надзаг. : Ком. по телекоммуникаци­ям и средствам массовой информации Правительства Москвы. - М/56609 № 1, 2. - Ч. 2 - С. 174 - 323.

9.       Тетраподы для берегозащитных и оградительных сооружений : ГОСТ 20425-75. - [Действует с 1976-01-01]. - М. : Изд-во стандартов, 1978. - 4 с. - (Гос. стандарт СССР).

Институт биологии южных морей НАН Украины,

г. Севастополь Получено 02.10.2008

O.   У. SOLOVIOVA

EFFECTIVENESS OF HYDRAULIC ENGINEERING CONSTRUCTIONS IN THE SELFPURIFICATION OF THE COASTAL WATERS

 

Summary

The surface area of some large hydraulic structures of Sevastopol coastal zone was calculated. Using the data on the area of the underwater part of these facilities, increasing their surface through design features, and the capacity of biofilter, produced by mitilids (mussels and mytilasters), developed the index which allow to compare the relative effectiveness of waterworks (because of mitilid activity) in the process of selfpurification. It demonstrated that the intensity of these processes per unit area (evaluate in 1 m2 pro­jection surface on the plane) concrete masonry embankment, tetrapod shelter, the mound of concrete bod­ies and riprap relates how 19:10:8:1 respectively.

Страницы:
1 


Похожие статьи

О В Соловьева - Потоки нефтяных углеводородов через поселение мидий, обитающих на южном молу севастопольской бухты (чёрное море)

О В Соловьёва - Роль митилид mollusca mytilidae в процессах самоочищения морской воды от нефтяных углеводородов

О В Соловьёва - Поселение черноморской мидии на бетонной набережной севастопольской бухты (чёрное море)

О В Соловьева - Эффективность гидротехнических сооружений в процессах самоочищения прибрежных вод