1.4. Свободный ресурс массотока в реке

В природе нет свободного ресурса. Он возник с момента установления ПДК (1908, Англия [26]) как административного средства ограничения антропогенного воздействия на питьевое качество воды. Оказалось, что власть условно выделила часть физического расхода речной воды для разбавления каждого вещества, добавляемого людьми к такому же веществу, содержащемуся в воде от природы.
 
Свободный ресурс разбавляющей способности речной воды зависит от концентрации вещества в воде естественного (природного) фона и искусственного порога изменения этой величины, выраженного ПДК. Предельно допустимая концентрация, разрешаемая властью, определяет признак существования свободного ресурса в воде. Признак можно записать так:

где C^e_j - концентрация естественного фона, нижняя граница условия существования ресурса; C^пд_j - ограничивающая концентрация, верхняя граница условия, обычно равная ПДК. 
Когда R_j = 0 свободный ресурс отсутствует. В этих условиях сточные воды должны иметь предельную концентрацию, равную естественному фону. Если  R_j < 0, то свободный ресурс имеет дефицит. В этих условиях сточные воды должны быть чище естественного фона, но по экономическим соображениям этого рекомендовать нельзя. Условно принимаем, что и здесь R_j = 0. Так что свободный ресурс массотока начинается от нуля.

Величину свободного ресурса ΔП^e_j выражаем в единицах измерения массотока (г/c):

где Q --- расчётный расход воды в реке.

Свободный ресурс --- это административно назначенная условно выделенная доля расхода речной воды для размещения в ней антропогенного массотока за счёт уменьшения расхода воды, оставленного для естественного массотока, что приводит к повышению концентрации вещества в реке сверх естественного состояния до установленного властью.

Верхняя граница условия наличия свободного ресурса C^пдj всегда устанавливалась административным назначением ПДК. Она не является строго научно обоснованной и заслуженно подвергается критике. Естественная (нижняя) граница ресурса статистически определена и изменению не подлежит.

В то же время за счёт повышения C^пд можно временно задавать свободный ресурс, который  позволит установить норму массотока в сточных водах такой, какая  оправдает  состояние воды в реке хуже ПДК.  При ней во всех створах реки концентрация вещества  будет не выше ЦПК - целевого показателя качества, назначаемого на период времени, достаточный для разработки лучших технологий. Приданием C^пдj значения ЦПК устанавливаем временный (льготный для бизнеса) ресурс, что позволяет осуществлять водопользование с ограниченным загрязнением речной воды. Для расчёта временно разрешаемой доли свободного ресурса в сточных водах применяются те же формулы, что и для расчёта предельно допустимого массотока.

Использование свободного ресурса

Весь свободный ресурс не удастся использовать для обеспечения C^пдj вследствие сложной динамики струй и уменьшения ресурса, сохраняемого  для  естественного фона. Доступная часть его выражается через ассимилирующую способность.

Ассимилирующая способность реки  в условиях теории смешения определяется в [22, c. 27] как «моделирование процесса переноса неконсервативного загрязняющего вещества в пределах бассейна этого объекта». С другой стороны  утверждается, что «понятие предельно допустимой нагрузки соответствует понятию ассимилирующей способности водного объекта» [22. c. 23]. Получается, что разработанная ПДН это и есть ассимилирующая способность, поскольку их понятия соответственны.

В результате математического экспериментирования установлено, что соблюдение качества воды в реке на уровне ПДК и ЦПК достигается при условии, когда распределяется не весь ресурс, а его часть. Она оценивается коэффициентом допустимой ассимиляции Ω, единым для водной системы, если исходные данные выражены тремя значащими цифрами. Для каждого вещества, которое задано с нарушением этого условия, коэффициент будет разным.  Коэффициент подбираем, проигрывая варианты на модели реки так, чтобы в любом контрольном своре не происходило превышение ПДК (ЦПК) более, чем на 5 % [22]. Ассимилируемый свободный ресурс приобретает значение:

На рис. 1.10 изображены графики изменения максимальной плотности вещества в реке в зависимости от коэффициента ассимиляции, использованного при расчёте нагрузки на реку по величине биохимического потребления кислорода. Окружностями обозначены значения Ω, которые обеспечивают непревышение в реке  1,05 величины ЦПК. Коэффициент доступной ассимиляции Ω = 0,86 выполняет эту функцию в данной речной сети.
 
 Цифрами 1--4 обозначены положения линии коэффициентов ассимиляции, равных, соответственно, 1,0,  0,9,  0,95 и 0,85,  когда отсутствуют ограничения ПДМ и ВРП по предельному и по фактическому массотокам вещества. Такие ограничения отмечены линиями с символами, соответственно, C^пд и C^ст.

Отклонение графиков вправо вызвано переходом к значениям концентрации в реке, которые возникают, когда предельно допустимый уровень массотока, рассчитанный по ЦПК, выше фактического.
 
Вводя ограничения, мы стабилизируем установившееся воздействие на качество речной воды. Начиная со значения ЦПК > 2,8 расчётная норма временно разрешаемого массотока (ВРМ) становится больше фактического массотока. Если бы не было ограничения по фактическому уровню, то процесс пошёл бы по линиям 1--4. Теперь же ВРМ, например, для Емельяновских БОС не выше фактического и в реке на этом участке сохраняется существующее положение. По мере увеличения ЦПК ограничение охватывает всё больше струй сточных вод и на соответствующей акватории сохраняются существующие характеристики воды.

 Кривые концентрации всё больше отклоняются от линий 1--4, и после ЦПК = 4,2 коэффициент Ω прекращает действие. При любом большем значении ЦПК в реке устанавливается существующая максимальная концентрация 4,2 мг/л --- показатель, который ограничен самой верхней кривой на рис. 1.10.

Значение ЦПК ограничено сверху максимальной существующей концентрацией в реке, а снизу --- естественной концентрацией, увеличенной на 5 %.

Рис. 1.10. Максимальная плотность потребления кислорода в р. Каче при разной антропогенной нагрузке и разных коэффициентах ассимиляции. Пояснения в тексте
 
В модель, рассматриваемую в главе 2, включаем ради охвата всех процессов в бассейне реки реальные потоки вещества, перенесённые притоками, как итог использования ресурса (ассимилирования) в бассейнах притоков[1]. Для большого притока реки составляем отдельную модель, результаты расчёта устьевого створа притока переносим в модель реки. Сложение потоков вещества, поступающего в реку со всеми притоками, обеспечивают учёт в модели разнообразного фактического использования ассимилирующей способности всей реки в пределах бассейна.  Причём неиспользованная часть ассимилирующей способности притоков, автоматически распределяется между водопользователями, расположенными на основной реке. 

При бассейновом расчёте ПДМ для любого расположения водопользователя в бассейне реки принимаем единый показатель доступной ассимилирующей способности из свободного ресурса в створе естественного фона по любому веществу. Это позволяет установить равные требования к равному объёму сточных вод. В условиях капиталистических экономических отношений такой подход обеспечивает равные начальные условия для каждого капиталиста. Теперь при одинаковых расходах сточных вод любому их владельцу будет установлен одинаковый предельный массоток.
Естественный фон не подлежит изменению в процессе разработки норм. Иначе может быть выработана «норма» любой величины.

Сохранение естественного фона является обязательным условием нормирования. Поэтому норму естественного фона для реки и бассейновые ПДК следует разрабатывать и  утверждать до начала работ по нормированию сбросов.