Екологічна безпека систем водопостачання міст: методологія вивчення та управління

Размещено на http://www.allbest.ru/

Український науково-дослідний інститут

екологічних проблем

УДК 504.05:628.1

екологічна безпека систем водопостачання міст:

методологія вивчення та управління

Спеціальність 21.06.01 - екологічна безпека

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Василенко Сергій Леонідович

Харків - 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті телекомунікацій і глобального інформаційного простору (ІТГІП) Національної академії наук України

Науковий консультант: доктор технічних наук, професор Трофимчук Олександр Миколайович, ІТГІП Національної академії наук України, заступник директора з наукової роботи, м. Київ.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Лозанський Володимир Романович, Український науково-дослідний інститут екологічних проблем, завідувач лабораторії правового та нормативного забезпечення екологічної безпеки, м. Харків;

доктор технічних наук, професор Орлов Валерій Олегович, Національний університет водного господарства і природокористування, завідувач кафедри водопостачання і бурової справи, м. Рівне;

доктор технічних наук, професор Стольберг Фелікс Володимирович, Харківська національна академія міського господарства, завідувач кафедри інженерної екології міст.

Провідна установа: Київський національний університет будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України, кафедра охорони праці та навколишнього середовища.

Захист відбудеться "25" жовтня 2007 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.812.01 в Українському науково-дослідному інституті екологічних проблем за адресою: 61166, м. Харків, вул. Бакуліна, 6.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Українського науково-дослідного інституту екологічних проблем за адресою: 61166, м. Харків, вул. Бакуліна, 6.

Автореферат розісланий "17" вересня 2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Жуковський Т.Ф.



Анотація

Василенко С.Л. Екологічна безпека систем водопостачання міст: методологія вивчення та управління. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 21.06.01 - екологічна безпека. Український науково-дослідний інститут екологічних проблем, Харків, 2007.

Дисертація присвячена теоретичному обґрунтуванню і розробці форм управління екологічною безпекою систем господарсько-питного водопостачання міст із застосуванням математичних моделей якості води, інформаційних технологій та найкращих доступних технічних рішень.

Теоретичні дослідження включають побудову водної аксіоматики, визначення поняттєво-термінологічного апарату, формулювання методологічних принципів і системотехнічних закономірностей.

Практичні аспекти пов'язані з підвищенням сталості функціонування систем водопостачання і зменшенням їх негативного впливу на людину та довкілля. управління екологічний безпека водопостачання

Дослідження охоплюють питання технічної реконструкції водопровідних мереж, підвищення еколого-енергетичної ефективності систем водопостачання, застосування селективного багаторівневого забору води з водних об'єктів, регулювання руслових і наливних водосховищ, використання географо-інформаційних технологій та комп'ютерної картографії, інтегрованого басейново-регіонального управління водними об'єктами.

Ключові слова: екологічна безпека, питна вода, водопостачання, управління, математична модель, інформаційні технології.



АННОТАЦИЯ

Василенко С.Л. Экологическая безопасность систем водоснабжения городов: методология изучения и управления. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 21.06.01 - экологическая безопасность. Украинский научно-исследовательский институт экологических проблем, Харьков, 2007.

Диссертация посвящена теоретическому обоснованию и разработке форм управления экологической безопасностью систем хозяйственно-питьевого водоснабжения городов (ЭБВ) с применением математических моделей, информационных технологий и наилучших доступных технических решений.

С эколого-системных позиций разработаны теоретические основы ЭБВ как дуальной взаимоувязанной проблематики влияния техногенных факторов на водоснабжение и обратному воздействию самого водоснабжения на окружающую природную среду и человека.

В основу методологии научного исследования, исходя из современных концепций естествознания, положена аксиоматика об эвентуальной опасности деятельности по питьевому водоснабжению, недостижимости абсолютной устойчивости водоснабжающих систем, их экологической противоречивости и др.

Сформирована понятийно-терминологическая база. Даны определения технической и санитарно-гигиенической безопасности водоснабжения, ЭБВ на входе и выходе системы - в интерпретации приемника или источника опасности, а также устойчивости и надежности комплексов группового водоснабжения.

Внутрисистемная безопасность систем сводится к обеспечению оптимального значения интегрированного параметра “КПД_В/C”, или условного коэффициента полезного действия системы, характеризующего качество, подачу и давление воды.

Сформулированы методологические принципы и системотехнические закономерности по обеспечению ЭБВ как больших сложных систем, которые базируются на общих правилах развития технических и инженерных инфраструктур.

Методом агрегирования сходных составляющих выделены главные объекты обеспечения ЭБВ: источники водоснабжения, сооружения кондиционирования воды, подсистемы ее подачи и распределения, а также гидротехнические сооружения и хлорное хозяйство как экологически опасные объекты.

На внешнесистемном уровне ЭБВ на входе системы рассматривается как целевой результат интегрированного управления водными объектами и охраной вод на принципах согласованности бассейнового и регионального подходов.

Определены направления оптимального регулирования ЭБВ в развитии больших городов: поэтапное уменьшение подачи воды, минимизация ее потерь при транспортировке, обеспечение стабильности энергообеспечения для предупреждения аварийных ситуаций на коммунальных объектах и др.

Предложен принципиально новый подход для оценки эколого-энергетической эффективности городских водохозяйственных систем. Он основан на вычислении показателей, характеризующих изменение удельных расходов электроэнергии на 1м³ воды относительно базовой величины (отраслевой, фактической), и приемлем для сравнения отдельных элементов и в целом систем водоснабжения городов.

Управление экологически безопасным развитием водоснабжения предложено осуществлять путем расширения методологической базы стратегического водохозяйственного менеджмента. На отдельных водоснабжающих предприятиях его формирование рекомендуется начинать с внедрения системы международных стандартов серий ISO 14 000, ISO 9 000, OHSAS 18 000.

Разработаны аналитико-статистические многокомпонентные модели изменения качества воды в источниках водоснабжения. Алгоритмы моделирования реализованы в диалоговых программно-математических средах MathCAD-12, VisSim и внедрены для решения водоохранных задач в бассейне р. Северский Донец.

Для оценки и прогнозирования небезопасных процессов, связанных с работой комплексов водоснабжения созданы и реализованы картографические модели с применением ГИС-технологий. В их основе лежит базовая информация в системе Arc/View-платформы, математические модели развития небезопасных процессов и тематические слои, которые характеризуют: экосистему поверхностных вод, аварийное распространение “хлорной волны”, расчетные зоны затопления при возможных авариях на гидротехнических сооружениях и др.

Разработан метод определения объемов работ по реконструкции водопроводных сетей. Он не имеет аналогов, и нашел практическое применение при формировании стратегии восстановления трубопроводов в коммунальном водном хозяйстве.

На примере канала Днепр-Донбасс установлена зависимость между кратностью водообмена наливного водохранилища и качеством воды на питьевых водозаборах.

Исследовано влияние ярусной водозаборной конструкции на состав возвратной воды отводимой от очистных сооружений водоподготовки. Применение технических решений (патенты Украины 54966А и 71706А) по селективному водозабору на комплексе “Днепр” позволило вдвое снизить водоотведение (с 5,1 до 2,5 млн м³/год) и одновременно уменьшить концентрации загрязняющих веществ на 10-25 %.

Для обеспечения ЭБВ на входе системы разработан и внедрен технический способ контроля качества воды в виде автоматического поста, работающего на принципах биотестирования общей токсичности воды по активности фотосинтеза и дыхания зеленых водорослей Scenedesmus и Chlorella.

Таким образом, в диссертации разработаны методологические основы экологической безопасности водоснабжения городов и решена важная научно-прикладная задача по отработке форм управления нею на региональном уровне.

Ключевые слова: экологическая безопасность, питьевая вода, водоснабжение, управление, математическая модель, информационные технологии.



ABSTRACT

Vasilenko S.L. Ecological safety of city water supply systems: methodology of studying and management. - Manuscript.

Thesis for Doctor of Technical Sciences Degree Dissertation. Specialization 21.06.01 - Ecological Safety. Ukrainian Research Institute of Ecological Problems, Kharkov, 2007.

The dissertation is devoted to the scientific substantiation and development of forms of ecological safety control for the city water supply systems with application of mathematical models, information technologies and accessible best technical decisions.

Theoretical research includes construction of water axiomatic, forming conceptual-and-terminological means, formulating methodological principles and systems-engineering laws. The practical aspects are connected with solving tasks to increase the operation stability of water supply systems and the reduction of their negative impact on human being and the natural environment.

The research covers the questions of regulating operation modes for river-bed and bulk-water basins, the technical reconstruction of water supply networks, the increase in power efficiency of water supply systems, the application of selective multilevel water intake from water bodies, the use of geography-information technologies and computer cartography, the management of water bodies on the basis basin and regional approaches.

Key words: ecological safety, drinking water, water supply, control, management, mathematical model, information technologies.



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Водопостачання міст як особливо важлива структура життєзабезпечення стратегічного призначення є визначальною складовою охорони здоров'я людини, національної безпеки і соціально-економічного розвитку держави.

В той же час у багатьох регіонах України не додержується нормативна якість питної води через відсутність економічно прийнятних очисних технологій.

Незадовільний технічний стан водогінних мереж спричинює її бактеріальне і хімічне забруднення, а також значні втрати, що призводить до підняття рівня ґрунтових вод, підтоплення міських територій та руйнування підземних забудов.

Гідротехнічні споруди та об'єкти хлорного господарства водопровідних комплексів мають високий техногенний ризик виникнення аварійних ситуацій з розвитком екологічно небезпечних процесів.

Існує суттєве протиріччя між підвищеними вимогами комунальних водогосподарських систем до якості вихідної води та їх негативним впливом на навколишнє природне середовище при відведенні зворотної води від очисних споруд. Розв'язання цієї суперечності обумовлює необхідність всебічного аналізу екобезпеки водопостачальних підприємств, що має комплексний міждисциплінарний характер.

Одним із найважливіших і маловивчених питань залишається підтримування постійної доставки питної води споживачам з одночасним забезпеченням екологічної безпеки та потрібного рівня цивільного захисту міських територій і населення.

Аналіз попередніх базових досліджень показує, що роботи у цій сфері проводяться, як правило, на окремих пооб'єктних компонентах без їх належного системного опрацювання. Тому екологічній безпеці систем господарсько-питного водопостачання міст (ЕБВ) властива недостатня вивченість і відсутність єдиної злагодженої основи з урахуванням різноманітних чинників небезпеки.

Це нагальна проблема не лише України, але й багатьох країн зарубіжжя.

Для успішного її розв'язання треба знаходити нові теоретичні та методологічні підходи, опираючись на фундамент, закладений вченими суміжних наукових галузей.

У зв'язку з цим у дисертації вирішується актуальне науково-прикладне завдання щодо обґрунтування теоретичних основ зменшення техногенного ризику в централізованому водопостачанні міст, розроблення і пошуку за їх допомогою оптимальних форм управління екологічною безпекою водопостачальних систем.

Це дозволить покращити умови життєдіяльності населення та стан довкілля.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота відповідає основним планам наукових досліджень Інституту телекомунікацій і глобального інформаційного простору Національної академії наук України, зокрема темам: “Створення бази даних природних ресурсів і аналіз екологічних проблем у мінерально-сировинному комплексі України” (державна реєстрація № ДР 0105U000441), “Розробка математичних моделей та технічних рішень у галузі архітектурно-екологічних проблем містобудування” (№ ДР 0105U000442).

Розвиток теоретичних уявлень з розробкою заходів щодо управління ЕБВ також тісно пов'язаний з галузевою та державною тематикою інших наукових установ:

АТ “УкркомунНДІпроект” - складання генеральної “Схеми водопостачання м. Харкова на період до 2015 р.” (№ 1221, 1262, 1290), затвердженої Харківською обласною державною адміністрацією 20.12.1995 р. -- здобувачем здійснено аналіз водних балансів і верифікація прогнозних моделей якості води;

Українського НДІ екологічних проблем - розробка науково-технічної документації по басейну р. Сіверський Донець: “Міжрегіональна екологічна програма з охорони і використання вод...” (№ ДР 0102U006061), “Концепція екологічного оздоровлення...” (№ ДР 0101U007263), проект “Державна програма екологічного оздоровлення...” (№ ДР 0199U006695, 0103U008731) -- автором опрацьовувались розділи з підвищення рівня екологічної безпеки систем питного водопостачання;

Спеціального проектно-конструкторського бюро АСУ водопостачанням (СПКБ АСУВ) у рамках Національної програми інформатизації за темою науково-дослідної роботи (НДР) ПІ-5-02-03 “Створення інформаційної системи Водоканалу” (№ ДР 0103U008717) -- дисертант є співвиконавцем досліджень з вивчення характеристик технологічних процесів і об'єктів водопровідного господарства;

Українського НДІ прогресивних технологій у комунальному господарстві “УкркомунНДІпрогрес”, де здобувач був виконавцем НДР по таких напрямках: в проекті “Перекладка технічно зношеної водопровідної мережі” (№ ДР 0105U005854) -- обґрунтування відновлення водопровідних комунікацій; по темах “Розрахунок втрат, неврахованих і технологічних витрат води” (№ 871/2001) і “Розробка поточних технологічних нормативів використання питної води” (№ 3418/2005) -- методологія дослідження групового водопостачання; по темі “Розрахунок припливів в систему водовідведення м. Харкова” (№ ДР 0104U005206) -- аналіз сумісної роботи систем водопостачання і водовідведення; в новій редакції Правил користування системами водопостачання та водовідведення в містах і селищах України (№ ДР 0105U004855) -- систематизація обліку використання води.

Мета і завдання дослідження. Метою досліджень є вдосконалення наукових основ і методів регулювання екологічної безпеки комунального водопостачання, спрямованих на зниження ризиків його негативного впливу на людину і довкілля.

Для досягнення вказаної мети були поставлені та вирішені такі задачі: 1) провести аналіз попередніх базових досліджень і узагальнення існуючих методів екологічної безпеки у сфері питного водопостачання міст; 2) розробити структурно-логічну схему системного вивчення та управління ЕБВ; 3) визначити методологічні передумови розв'язання проблеми ЕБВ; 4) удосконалити термінологію і поширити концепцію прийнятого екологічного ризику в галузі питного водопостачання; 5) сформулювати методологічні принципи та системотехнічні закономірності екологічно безпечного функціонування і збалансованого розвитку водопостачальних систем як об'єктів міських інженерних інфраструктур; 6) обґрунтувати підходи до управління ЕБВ із впровадженням заходів, спрямованих на покращання стану екосистем; 7) реалізувати ГІС-технології при картографічному моделюванні техногенного навантаження на комунальні водогосподарські комплекси та їх зворотної дії на довкілля; 8) розробити та запровадити багатокомпонентні моделі формування якості води у водних об'єктах і методи регулювання водосховищ для рішення оптимізаційних задач управління ЕБВ із поверхневих джерел.

Об'єкт дослідження -- екологічно небезпечні процеси, пов'язані з функціонуванням і розвитком систем водопостачання міст.

Предмет дослідження -- наукове обґрунтування і методологія вивчення екологічної безпеки систем водопостачання міст, управління нею на регіональному рівні.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження ґрунтуються на принципах сучасного наукового пізнання, логічного і системного аналізу, теорії ієрархічних систем, моделювання і системотехніки, а також поняттєвих формулювань з вибраного наукового напрямку.

Вирішення поставлених задач виконано за допомогою методів: математичного та комп'ютерного моделювання - для розроблення моделей формування якості води і розвитку гідрологічних явищ; теорії ймовірностей і математичної статистики - для оброблення даних натурних вимірювань; географічних інформаційних технологій - у процесі синтезу тематичних картографічних моделей; біотестування - для удосконалення моніторингу поверхневих вод; логічного аналізу та узагальнення науково-технічної інформації - під час оцінювання здобутих результатів.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що вперше:

1. Розроблено теоретичні основи екологічної безпеки систем питного водопостачання як нового наукового напрямку в галузі екологічної безпеки міських агломерацій. Вони базуються на формуванні механізмів управління стійким функціонуванням і збалансованим (відтворним) розвитком цих систем в умовах прояву несприятливих природно-техногенних явищ із одночасним зменшуванням ризиків шкідливого впливу водопостачальних підприємств на довкілля та людину.

2. Встановлено науково-методологічні передумови ЕБВ із формулюванням аксіом, принципів, поняттєво-термінологічних визначень і системотехнічних ознак, що розвивають відомі екологічні закономірності та складають наукову базу для розроблення і впровадження технічних рішень щодо безпеки питного водопостачання.

3. Запропоновано методологію вивчення складових безпеки водопостачання за ієрархічним принципом із застосуванням інтегрованих системоутворюючих параметрів на внутрішньо- і зовнішньосистемному рівнях небезпеки. Це дає можливість здійснювати розрахунки прийнятного ризику негативних проявів від водопостачальної системи з їх повторюваністю і тривалістю в часі.

4. Визначено нові підходи до формування стратегії управління екологічною безпекою питного водопостачання, спрямованої на покращання стану екосистем. Вони ґрунтуються на екологічному і водогосподарському менеджменті, інтегрованому регіонально-басейновому управлінні водними об'єктами, використанні ГІС-технологій для моніторингу і прогнозування небезпечних процесів, пов'язаних із роботою водопостачальних систем, підвищенні їх енергетичної безпеки.

5. Запропоновано новий метод аналізу стану водопровідних мереж і обчислення обсягів робіт з їх відновлення і реконструкції, реалізація якого запобігає забрудненню та втратам питної води під час її транспортування, а також підтопленню територій і руйнуванню підземних споруд міст. В основу методу покладено техніко-економічний розрахунок структури використання води та щорічного приросту її нормативних втрат залежно від матеріалів, діаметрів і термінів експлуатації трубопроводів.

6. Узагальнено аналітико-статистичні багатокомпонентні моделі сумісної послідовно-паралельної трансформації речовин у воді водних об'єктів для вирішення оптимізаційних задач управління охороною вод у поверхневих джерелах водопостачання. Модельні структури теоретично обґрунтовано, вони відрізняються від відомих ймовірним урахуванням неконтрольованих факторів і простими процедурами ідентифікації параметрів за даними натурних спостережень.

7. Розроблено методи оптимального регулювання руслового стоку долинними водосховищами і раціоналізації кратності водообміну наливних водоймищ для створення сприятливих умов на питних водозаборах. Методи засновано на мінімізації коливань рівня води в нижніх б'єфах за модельними гідрографами та встановленні закономірностей залежності якості води від складових водного балансу.

Практичне значення отриманих результатів полягає в тому, що наукові положення використані як методологічна основа для розроблення рекомендацій, технічних засобів і методів з екологічної безпеки систем водопостачання. Це дозволяє більш досконало оцінити ризики екологічної небезпеки в комунальному водному господарстві міст і обґрунтувати прийняття управлінських рішень.

На КП “ВТП "Вода"” (м. Харків), яке призначено Урядом України провідним галузевим підприємством для випробовування сучасних наукових розробок і новітніх досягнень, впроваджено: науково-технічне обґрунтування реконструкції трубопроводів; інформаційно-картографічні моделі з використання поверхневих вод і ГІС-прогнозування екологічно небезпечних подій; селективний відбір води на насосній станції першого підйому найбільшого в країні магістрального водогону з каналу Дніпро-Донбас до м. Харкова; автоматичний пост біотестування води.

Результати моделювання перерозподілу водних ресурсів з метою покращання екологічного стану на питних водозаборах застосовано в багатьох проектах ВАТ “Укргідропроект”: по регулюванню стоку (№ 1096-7-Т01) і використанню води р. Сіверський Донець (№ 1170-39-Т04), вибору проектного рішення для поліпшення якості води на Кочетоцькому водозаборі (№ 1107-1-Т2) та ін.

В Управлінні експлуатації каналу Дніпро-Донбас вжито запропоновані автором заходи з коригування технологічного регламенту роботи каналу в сучасних умовах для підвищення якості вихідної води на Краснопавлівському питному водозаборі.

Математичні моделі формування якості води та гідрологічних явищ в р. Сіверський Донець реалізовано в Сіверсько-Донецькому басейновому управлінні водних ресурсів (м. Слов'янськ). Результати аналізу структури водоспоживання покладено в основу технологічних нормативів використання питної води, затверджених Харківським міськвиконкомом 02.03.2005 р.

Матеріали досліджень використовувались у процесі техніко-економічного обґрунтування постанови Кабінету Міністрів України від 20.12.2000 р. № 1844 у частині підвищення надійності та рівня екологічної безпеки систем водопостачання в Харківській області. Окремі результати дисертаційної роботи увійшли в Програму підвищення надійності, ефективності та безпеки водопостачання населення Харкова, що затверджена рішенням Харківської міської ради 29.06.1999 р.

Науково-практичні розробки дисертаційної роботи мають закінчений вигляд і можуть бути застосовані у різних регіонах країни. Методи визначення обсягів робіт з відновлення водопровідних мереж та оцінювання еколого-енергетичної ефективності систем водопостачання використовуються в “УкркомунНДІпрогрес” і СПКБ АСУВ під час комплексного обстеження багатьох водопровідних підприємств та рекомендуються для подальшого розповсюдження в системі Міністерства ЖКГ України.

Особистий внесок здобувача. Дисертаційна робота є результатом десятирічної праці автора. Здобувачем особисто здійснено: формулювання ідеї, мети і задач досліджень; розробку теоретичних положень, математичних моделей, алгоритмів і програм. За безпосередньої участі дисертанта проведено експериментальні дослідження у лабораторних і натурних умовах, аналіз, оброблення та інтерпретація отриманих результатів, їх практичне застосування і впровадження.

Автору належить також ідея, планування і виконання модельних обчислювальних експериментів за даними натурних вимірювань, узагальнення та визначення новизни здобутих наукових результатів, обґрунтування висновків.

Апробація результатів дисертації. Головні результати роботи оприлюднено, обговорено та схвалено більш як на 40 міжнародних та українських науково-технічних конгресах, форумах, конференціях і семінарах. Основні з них:

— міжнародні науково-технічні конференції: “Нормативно-правові аспекти оцінки і прогнозу екологічного стану навколишнього середовища адміністративних областей і районів України” (Алушта, 1997), “Проблеми забезпечення населення якісною водою” (Київ, 1997), “Актуальні проблеми водопостачання і водовідведення” (Одеса, 1999), “Інформаційні технології управління екологічною безпекою, ресурсами та заходами у надзвичайних ситуаціях” (Крим, 2002), “Проблеми реформування та розвитку водопровідно-каналізаційного господарства України” (Одеса, 2003), “Інтегровані технології та енергозбереження” (Алушта, 2003, 2004, 2005, 2006), “Сучасні інформаційні технології управління екологічною безпекою регіонів” (Харків, 2003), “Сучасні технології управління екологічною та інформаційною безпекою територій” (Київ, 2005), “Довкілля - 2004. Екологічний менеджмент. Сертифікація. Аудит” (Одеса, 2004), “Проблеми розробки і впровадження сучасних інформаційних технологій моніторингу навколишнього середовища і управління екологічною та інформаційною безпекою в регіонах” (Крим, 2004), “Інформаційні технології: наука, техніка, технологія, освіта, здоров'я. - MicroCAD” (Харків, 2004, 2005, 2006), “Екологія і здоров'я людини. Охорона водного і повітряного басейнів” (Бердянськ, 2004; Алушта, 2005), “Екологія промислових підприємств” (Ялта, 2004), “Екологічна безпека: проблеми і шляхи вирішення” (Харків, 2005, 2006, 2007), “Сучасні проблеми охорони довкілля, раціонального використання водних ресурсів та очистки природних і стічних вод” (Миргород, 2006), “Екологічні проблеми водного і повітряного басейнів” (Алушта, 2006), “Проблеми розвитку прикордонних територій та їх участі в інтеграційних процесах” (Луцьк, 2006), “Сучасні проблеми екологічної та техногенної безпеки регіонів” (Харків, 2006), “Вода і довкілля” (Київ, 2006), “Проблеми екології: наука, промисловість, освіта” (Бєлгород, 2006);

— Всеукраїнські науково-технічні конференції: “Проблеми реалізації реформування галузі житлово-комунального господарства (ЖКГ)” (Харків, 2003), “Реалізація регіональних програм реформування та розвитку ЖКГ” і “Проблеми та перспективи енерго-, ресурсозбереження ЖКГ” (Алушта, 2005), “Підтоплення - 2006” (Слов'янськ, 2006);

— Всеукраїнські науково-практичні інтернет-конференції: “Науковий потенціал України”, “Простір і час сучасної науки”, “Українська наука ХХI століття”, “Наука і життя: українські тенденції, інтеграція у світову наукову думку” (Київ, 2006);

— науково-практичні семінари: “Методи підвищення ресурсу міських інженерних інфраструктур” (Харків, 2004, 2006), “Актуальні питання якості води в Україні” (Київ, 2005), “Можливості сучасних ГІС/ДЗЗ-технологій у сприянні вирішення проблем Слобожанського регіону” (Суми, 2005); І Всеукраїнський з'їзд екологів (Вінниця, 2006), щорічні науково-технічні конференції ХДТУБА (Харків, 2004, 2006), IV Міжнародний Водний форум “Аква - Україна, 2006” (Київ, 2006);

— міжнародні конгреси: “ЕТЕВК. Екологія, технологія, економіка водопостачання і каналізація” (Ялта, 1997, 1999, 2003, 2005), “ЕКВАТЕК. Вода: екологія і технологія” (Москва, 2000, 2002, 2006); міжнародний симпозіум “Міжрегіональні проблеми екологічної безпеки” (Одеса, 2007).

Публікації. Результати дисертації опубліковано в 3 монографіях (з них 2 одноосібних), 39 статтях у наукових фахових виданнях України з технічних наук (з них 28 без співавторів), 16 статтях в інших наукових збірниках (у тому числі 12 без співавторів), 38 тезах доповідей на конгресах і конференціях різного рівня (з них 26 без співавторів), 2 патентах на винаходи у співавторстві. Всього по темі дисертації опубліковано 98 робіт, головні з яких наведено в авторефераті.

Структура і об'єм дисертації. Дисертація складається із вступу, 6 розділів, висновків, списку використаних джерел з 402 найменувань (28 сторінок) та 3 додатків (34 сторінок). Робота викладена на 348 сторінках і містить 281 сторінку основного тексту, 25 таблиць і 65 рисунків, з них 5 на окремих сторінках.

Основний Зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, показано її зв'язок із науковими програмами. Визначено мету, завдання, об'єкт і предмет досліджень. Наведено основні дані про публікації, апробацію, наукову новизну і практичне значення здобутих результатів, особистий внесок здобувача.

У першому розділі “Аналіз базових досліджень по ЕБВ” окреслено основні етапи розвитку наукової думки з проблеми екологічної безпеки систем водопостачання міст в роботах вітчизняних і зарубіжних авторів.

Концептуальні підвалини екологічної безпеки закладено в наукових працях В.О. Бокова, І.І. Дедю, М.Н. Мойсеєва, Н.Ф. Реймерса та інших вчених. Різні її напрямки набули подальшого розвитку в дослідженнях таких науковців, як Г.О. Білявський, Є.П. Буравльов, Б.М. Данилишин, В.К. Донченко, А.Б. Качинський, Ф.В. Стольберг, В.Я. Шевчук, І.А. Шеренков, M. Hanson, V. Marshal, R. Rycroft та ін.

Питання екологічної безпеки у сфері водних відносин розглядають О.К. Кузін, В.Р. Лозанський, Е.І. Міхневич, Ц.Є. Мірцхулава, А.М. Никаноров, О.П. Оксіюк, М.М. Паламарчук, О.А. Цхай, А.В. Яцик, A. Jolma, T. Prato, A. Schultz та ін.

Еколого-інженерну спрямованість питного водопостачання у взаємозв'язку зі станом водних об'єктів поглиблюють і конкретизують В.В. Гутенєв, Б.М. Долгоносов, С.І. Дорогунцов, С.С. Душкін, Л.І. Ельпінер, М.Г. Журба, В.М. Ісаєв, С.Н. Ліневич, В.А. Петросов, О.Г. Примін, І.Т. Прокопчук, О.М. Черняєв, С.В. Яковлєв та ін.

Аналіз різних аспектів обраного наукового напрямку дозволяє констатувати таке.

Існують достовірні причинно-наслідкові зв'язки багатьох захворювань населення з якістю питної води. Водопровідні системи мають критичну зношеність устаткування і вкрай обмежені можливості з очищення води. Суттєву небезпеку водним об'єктам спричиняє комунальна зворотна вода. Вагомий техногенний ризик для людини і довкілля створюють хімічні реагенти водоочисних станцій. На тлі різкого старіння основних фондів скорочуються обсяги виділення коштів на їх поновлення. Низка науковців називає це системною катастрофою в централізованому водопостачанні або порушенням природних і соціальних законів його розвитку.

У цілому прояви кризових явищ у водній галузі викликані не тільки нестачею фінансових ресурсів, але й недосконалим керуванням.

Недостатньо розвинуті теоретичні засади для комплексної оцінки впливу комунального водного господарства на навколишнє природне середовище.

Існує термінологічна невизначеність. Математичні моделі часто не пристосовані до інформаційного супроводу. Не набув належного розвитку системний підхід, що враховував би широкий спектр складових “водної” небезпеки.

Розповсюджене аналізування складу і властивостей води за окремими показниками як основного інструмента вивчення її якості одночасно перетворилось на головний методологічний принцип досліджень у сфері водопостачання в цілому, по суті, залишаючи справу синтезу знань про питну воду організмові людини.

Отже, екологічна безпека водопостачання нагально потребує більш глибокого опрацювання теоретико-методологічних засад і розробки наукових основ управління нею на базі всебічного вивчення процесів та умов формування небезпеки. Вона вимагає подальшого удосконалення термінології, визначення загальних принципів, застосовування новітніх інформаційно-моделюючих технологій і технічних засобів.

Результати проведеного аналізу дозволили обґрунтувати наукову значущість роботи, сформулювати завдання та головні етапи досліджень, що структурно складають три блоки (рис. 1): системно-методологічна основа, підходи до управління і програмно-прикладні аспекти регулювання ЕБВ.

У другому розділі “Теоретичні основи ЕБВ” з еколого-системних позицій викладено: загальну методику проведення досліджень, методологію системного вивчення та наукове обґрунтування екологічної безпеки систем водопостачання.

Поставлені задачі вирішуються на трьох ієрархічних ступенях, що визначають: водні об'єкти та охорону вод (рівень “надсистеми”); поверхневі джерела питного водопостачання і водозабори; споруди кондиціонування і розподілу води (внутрішньосистемний рівень). Показано, що в сукупності сучасних екологічних наук ЕБВ взаємозв'язана з такими науковими напрямками, як екологія людини, соціальна екологія, неоекологія і прикладна екологія, з їх поєднанням через екологічну безпеку.

На підставі логічного аналізу апробованої термінології та різноманітних інформаційних ресурсів доведено, що сучасне централізоване водопостачання міст слід розглядати як структурний компонент водного господарства України.

За межами міста воно є регіональним (подача води від віддалених джерел), в його границях - комунальним (міським, муніципальним) водним господарством.

В основу наукового дослідження покладено систему аксіом (а) і постулатів (p), спрямовану на розвиток більш за сто законів, правил і принципів екології та їх поширення на сферу екологічних аспектів діяльності у галузі водопостачання міст.

Аксіоматика складає базис теоретико-методологічних передумов розв'язання проблеми ЕБВ і сформульована автором виходячи з позицій сучасних концепцій природознавства й активних відносин людини з довкіллям:

а₁ системної відкритості: вода і водопостачання існують як взаємодії складних відкритих систем; а₂ загальності: вода - матриця життєвих властивостей, універсальна структурно-постійна частина живої природи; а₃ модельної неадекватності: всеохоплюючої й всебічної моделі води не існує; а₄ евентуальної небезпеки: діяльність з водопостачання потенційно небезпечна;

p₁ пізнавальної обмеженості: пізнання води та її характеристик, проявів і оцінки лімітується реально непереборною зоною обмеженості; p₂ параметричної локалізації: якість природної води нескінченно різноманітна, але його параметри зосереджені в кінцевій області; p₃ еквівалентної протидії: штучним обмеженням вода протиставляє свій природний рух (наслідок: втрати води в господарській системі неминучі); p₄ природного балансу: “господинею” господарської води залишається природа; p₅ водно-екологічного дуалізму: водопостачання на практиці несе неусувне екологічне протиріччя; p₆ відносної динамічності: будучи пов'язане з найбільш динамічною речовиною в природі, само централізоване водопостачання в своїй основі статичне (жорстко детерміноване); p₇ апріорної непередбачуваності: безумовну нешкідливість води для питних цілей гарантувати неможливо; p₈ релятивної стійкості: абсолютна сталість систем водопостачання недосяжна (наслідок: тимчасові відключення водопроводу системно неусувні).

Зокрема, аксіома а₄ має два важливі висновки, необхідні для формування поняттєвих засад в безпеці водопостачання: 1) неможливість реалізації системи водопостачання, абсолютно безпечної для довкілля; 2) комунальне водопостачання не може забезпечити абсолютну безпеку для людини.

Методологію системного вивчення безпеки водопостачання міст визначено за ієрархічним принципом (рис. 2). Формулювання поняттєво-термінологічних тверджень щодо ЕБВ здійснено за правилами формальної логіки з урахуванням положень міжнародного стандарту ISO 704:2000.

Безпека питного водопостачання -- спроможність населення задовольняти господарсько-побутові потреби у питній воді, що необхідна для його самозбереження і відтворення, з найменшим ризиком заподіяти шкоду базовим цінностям нинішнього і прийдешніх поколінь; стан захищеності людини і біоти від діяльності з водопостачання.

Безпека системи питного водопостачання -- властивість системи забезпечувати технічну, санітарно-гігієнічну (людина) та екологічну (людина, довкілля) безпеку водопостачання.

Технічна безпека водопостачання (БВ_тех) -- комплекс організаційно-технічних заходів із здійснення безперебійної подачі необхідної кількості питної води в штатних режимах і надзвичайних ситуаціях; здатність об'єктів водопостачання до збалансованого розвитку в умовах внутрішніх і зовнішніх загроз, а також дій важкопрогнозованих чинників.

Санітарно-гігієнічна безпека водопостачання (БВ_с/г) -- спроможність систем водопостачання виконувати гігієнічні вимоги до якості води в точках її споживання згідно з санітарними правилами і нормами, встановленими законодавством; стан захищеності людини від ризику захворюваності, пов'язаного з уживанням неякісної водопровідної води.

В основу кількісної міри внутрішньосистемної безпеки водопостачання міст покладено інтегрований параметр “ККД_в/с” (російською “качество, подача/ количество, давление”), або умовний коефіцієнт корисної дії водопостачальної системи. У першому наближенні для його оцінки запропоновано формулу

,

де u_i ={u₁, u₂, u₃}- безрозмірні перемінні, що інтегровано характеризують якість c, витрату q і тиск p води відносно їх оптимальних значень; 1()={0, <0; Ѕ, =0; 1, >0} - симетрична одинична функція; _1i0, _2i0 - параметри кривих _i для опису змінних u_i

З підвищенням споживаючих характеристик u_i величина “ККД_в/с” спочатку зростає, потім спадає. По якості води рекомендується вибирати ₁₁50.

Екологічна безпека для водопостачання (на вході - ЕБВ_вх, security) -- стан джерел і систем водопостачання, за якого забезпечується захищеність здоров'я людини від небезпеки, зумовленої порушенням встановлених нормативів у сфері питного водопостачання; комплекс дій, станів і процесів, за яких утримується захищеність систем водопостачання та якості води в них від прямого чи опосередкованого впливу антропогенних і природних факторів. Водопровідна система виступає як “жертва”, “приймач небезпеки” або потерпіла сторона, що відбиває загрози.

Екологічна безпека від водопостачання (на виході - ЕБВ_вих, safety) -- стан навколишнього природного середовища (НПС), коли із заданою ймовірністю або іншою мірою небезпеки відвертається його погіршення через діяльність з водопостачання і виникнення внаслідок цього самої небезпеки для екосистем і людини. Водопровід постає як потенційна “загроза”, “джерело небезпеки” для НПС і людей.

Загальна ЕБВ відображає обмін факторами екологічної небезпеки між НПС і комунальним водним господарством, а метою управління ЕБВ є досягнення системної збалансованості “безпеки для” і “безпеки від” питного водопостачання за рахунок оптимального розподілу наявних фінансових, матеріальних та інших ресурсів.

Аналізуючи ЕБВ на вході, слід додати ще одне визначення:

екологічна безпека вод (ЕБ_вод) -- стан захищеності водних екосистем та їх компонентів від загроз несприятливих наслідків з причин дії антропогенних і природних чинників.

Тоді в загальному символічному вигляді можна записати складені логічні висловлювання:

БВ(БВ_техБВ_с/гЕБВ), ЕБВ(ЕБВ_вхЕБВ_вихЕБ_вод),

де - знак диз'юнкції (складання множин); ab означає, що a є частиною b.

Слід відмітити, що ЕБВ не гарантує БВ, але створює для неї потрібні передумови. Тобто ЕБВ - необхідна, але недостатня умова БВ.

Основною складовою валового внутрішнього продукту (ВВП) в системі водопостачання є вода в грошово-матеріальному вираженні. Тому за аналогією з “ККД_в/с” системоутворюючим параметром ЕБВ призначено показник “ВВП_в/с” (водокористування, водоспоживання, переробка) чи умовний ВВП водопостачання.

Він оцінюється за результатами господарчої діяльності на рівні об'ємних величин через забір води Q_З з водних джерел: Q_з=Q_Р+Q_зв+Q_В, де Q_Р - реалізація води споживачам, Q_ЗВ - витрата зворотної води від споруд кондиціонування, Q_В - втрати води при транспортуванні. Причому Q_Р -- корисна частина ВВП, що направлена на задоволення потреб населення; Q_ЗВ+Q_В -- “шкідлива” складова ВВП (“експорт в НПС”), яка спричиняє небажані наслідки для людей та довкілля.

Із прийнятої аксіоматики (а₁, p₃, p₄) випливає, що в господарській системі вода довго не затримується. Тобто питна вода - продукт споживання, для якого ВВП кількісно збігається з навантаженням системи водопостачання на довкілля.

Отже, важливим критерієм ефективної діяльності з покращання ЕБВ є зниження “ВВП_в/с” із переведенням зекономлених енергоресурсів, що витрачаються на багатократну перекачку мільярдів кубометрів води, в інші галузі економіки.

Звідси виходить базовий екологічний принцип “ВВП_в/с” - скорочення споживання ресурсів (води, електроенергії тощо) по всіх напрямках, включаючи реалізацію Q_Р, з синхронним зростанням енергетичної ефективності (ЕЕ_в/с).

Це обумовлює комплексну системоутворюючу модель “НЕП_в/с” (населення, екологія-економіка-енергоефективність, політика-право), або нову еколого-економічну політику водопостачання.

Вона полягає в забезпеченні споживачів питною водою, виходячи з економічно прийнятного рівня водоспоживання, підвищення енергоефективності та зменшення негативних наслідків для людини і довкілля, на підставі прийняття екологічної політики, підкріпленої правовими рішеннями з адаптацією українського водного законодавства до кращих зразків в країнах ЄС.

Модель “НЕП_в/с” не формалізується до чисельних оцінок, але вона порівнює управління із загальними критеріями:

,



де Q, W - відповідно не нульові прирощення витрат води та електроенергії.

Концепція прийнятного ризику (ПР) в питному водопостачанні міст: а) ризик, обумовлений господарчою діяльністю в сфері водопостачання, не повинен перевищувати ПР; б) витрати на підтримування ПР мають порівнюватися відповідно до доходів, одержаних від реалізації води; в) діяльність з водопостачання, що утворює ризик, більший за ПР, є неприпустимою незалежно від принесеної вигоди.

Ризик небезпеки, зокрема, може вираховуватись через добуток імовірності настання несприятливої події p і величини очікуваного збитку S від неї.

Прикладом застосування концепції ПР є оптимізація точок і періодичності контролю якості води у водопостачальній мережі, а також припустиме відхилення показників відібраних проб від діючих нормативів протягом року, що згідно з ДержСанПіН “Вода питна ...” складає 95-98 % (р = 0,02ч0,05) за мікробіологічними показниками безпеки питної води.

Об'єкти забезпечення ЕБВ: якість життя людини, екологічний стан водних джерел, технологічні нормативи використання води, чинники впливу на елементи комунального водопроводу та його зворотної дії на довкілля.

Об'єкти управління ЕБВ виділяються методом агрегування подібних складових, незначно залежних за характером і критеріями функціонування. Основні з них (див. рис. 1): джерела водопостачання, споруди водопідготовки з відведенням зворотної води, розподільчі мережі з їх втратами води і підсиленням процесів підтоплення міст, реагентне господарство з можливими викидами хлору, аміаку тощо і відомчі гідроспоруди (підпірні греблі, водосховища) як екологічно небезпечні об'єкти.

Управління ЕБВ -- розроблення і практична реалізація адміністративно-правових і техніко-економічних методів, спрямованих на досягнення прийнятного екологічного ризику ведення господарчої та іншої діяльності в сфері питного водопостачання. На рівні водного фонду воно покликане сприяти гармонійному безконфліктному поєднанню інтегрованого управління водними об'єктами і пріоритетності використання вод для питних потреб населення, визначеного законодавством України.

В основі ЕБВ виділено три кваліфікаційні ознаки санітарно-гігієнічна - характеризує рівень забрудненості питної води і ступінь її небезпеки для здоров'я людей; екологічна - свідчить про екологічний стан водного об'єкта, що є джерелом водопостачання; загальна - об'єднує різноманітні складові ЕБВ одночасно у всій багатогранності соціальних, економічних та екологічних аспектів.

Системність досягається сумісним розглядом елементів ЕБВ як цілеспрямованих систем і вивченням можливостей цих систем та взаємовідносин між цілями та засобами їх реалізації. Комплексність формується послідовною інтеграцією: водопровідні комплекси комунальне водне господарство водне господарство регіонів України.

Виходячи із законів розвитку технічних систем, на яких базуються, зокрема, теоретико-практичні механізми вирішення винахідницьких задач, сформульовано системотехнічні закономірності екологічно безпечного функціонування та розвитку водопостачальних комплексів (як великих і складних інфраструктур міст):

z₁) про повноту складу, працездатність і узгоджений ритм роботи елементів з безперервним рухом води через усі взаємодіючі частини з її мінімальними втратами;

z₂) удосконалення системи в напрямку збільшення ступеня своєї ідеальності;

z₃) нерівномірний розвиток компонентів системи, що породжує неритмічну зміну станів її частин та обумовлює вибір пріоритетних напрямків покращання водопостачання, насамперед, відновлення водопровідної мережі як уразливого складника;

z₄) зростання ступеня динамічності системи та перехід до гнучких структур і режимів роботи, що пристосовуються до змінювання умов зовнішнього середовища;

z₅) перехід в “надсистему” на рівні водних об'єктів при досягненні граничного економічно прийнятного стану організації макросистеми водопостачання, що обумовлює здійснення заходів з екологічної безпеки водних джерел.

Сформульовано методологічні принципи (P) забезпечення ЕБВ:

P₁ цільовий ~ наближення технологій виробництва питної води та обсягів її споживання населенням до стандартів ЄС;

P₂ мінімуму ~ змінення пріоритетів від нарощування потужностей водопроводів до мінімізації подачі, втрат, неврахованих витрат і надмірних напорів води в мережі, ушкоджень на трубопроводах, питомих витрат електроенергії тощо;

P₃ різноманіття ~ збільшення стійкості системи життєзабезпечення міст за рахунок зростання різноманіття видів питного водопостачання та функціонально-додаткового поширення їх компенсаційних можливостей у кризових ситуаціях;

P₄ невизначеності ~ якість води та екологічну безпеку систем питного водопостачання з їх стохастичними особливостями немає як гарантувати, але можна підвищувати ймовірність їхнього досягнення та знижувати несприятливі ризики;

P₅ повноти ~ зміст ЕБВ повинен становити цілісну систему - від водного об'єкта до споживача на всіх стадіях виробництва та використовування води;

P₆ відповідності ~ екологічна безпека водопостачання забезпечується такою конструкцією системи, що мінімізує техногенний ризик, є найпростішою для виконання покладених на неї функцій, адекватно реагує на зовнішні фактори навколишнього середовища та оптимальна за витратами матеріалів і енергії;

P₇ профілактики ~ удосконалення екологічної безпеки на регіональному й національному рівнях доцільніше і дешевше, ніж тимчасове усунення наслідків реалізованої небезпеки з витрачанням матеріальних ресурсів на безпеку водопостачання;

P₈ водного синергізму ~ якість життя і благополуччя людини залежать не від окремих лімітованих показників якості питної води, але й від синергічного ефекту дії всієї сукупності хімічних і біологічних її вмісних компонентів одночасно.

Дослідження ЕБВ у кількісному відношенні так чи інакше пов'язані зі стійкістю системи, що потребує уточнення цього поняття.

Стійкість системи питного водопостачання -- спроможність системи зберігати свою цілісність і режим функціонування, коли кількість споживачів і час, за який вони не одержують воду нормативної якості в необхідній кількості, не перевищує заданої величини прийнятного ризику.

Останній випливає з постулату p₈ і відображається визначенням певної групи людей, у яких виникають негативні ефекти з їх повторюваністю і тривалістю в часі.

Підтримання стійкості передбачається навіть в екстремальних умовах з режимним переведенням системи на обмежене водопостачання і поширенням децентралізованих форм поставки води (див. принцип P₃).

Викладені теоретичні положення створюють науково-методологічні передумови для визначення підходів щодо управління екологічною безпекою водопостачання міст із подальшим розробленням та впровадженням технічних рішень.

У третьому розділі “ЕБВ у загальній ієрархії управління водними об'єктами та розвитку комунального водного господарства” досліджуються умови формування ЕБВ на зовнішньосистемному рівні. На вході системи ЕБВ_вх розглянуто як цільовий результат інтегрованого управління водними об'єктами та представлено через взаємодії населення, комплексів водопостачання, водних і техногенних об'єктів.

Деякі типові види взаємодії: НВО - забруднення; НТО - тероризм; НСВ - самовільне підключення; ВОТО - повені, руйнування, затоплення; ВОСВ - заростання трубопроводів, внесення забруднюючих речовин; ТОСВ - електрохімічна корозія трубопроводів; СВН - якість життя, здоров'я людини; СВТО - підтоплення територій; СВВО - вичерпання водних ресурсів, скидання зворотної води.

В основу інтегрованої схеми регулювання ЕБВ покладено поетапний перехід: від ізольованого стеження за діями на окремих складових водогосподарської системи - до всебічного контролю; від роздільного управління виробничими комплексами - до сумісного скоординованого керування; від неузгодженої регламентації водоохоронної діяльності на техніко-економічному і законодавчому рівнях - до узгодженого регулювання.

У цьому випадку рівною мірою враховуються інтереси всіх водокористувачів. Однак при впровадженні заходів з охорони вод перевага має віддаватися таким, що покликані забезпечити досягнення найбільшого ефекту в джерелах питного водопостачання. У багатокритеріальних задачах з оптимізації водоохоронних заходів це досягається введенням в цільові функціонали відповідних вагових коефіцієнтів. Подібне стосується і міської території по об'єктах підсистеми розподілу води.