Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ состояния проблемы прогнозирования качества воды в водотоках и существующие конструкции наносоперехватывающих устройств при водозаборах из рек 18
1.1. Изученность процессов смешения и разбавления сточных вод в водотоках 18
1.2. Детерминированные модели качества воды в водотоках 26
1.2.1. Одномерные модели турбулентной диффузии 29
1.3.Определение коэффициентов турбулентной дисперсии в водотоках 35
1.4. Классификация водозаборных сооружений 40
1.5. Рассмотрение конструкций водозаборных сооружений на реках с обильными донными наносами 42
1.5.1. Бесплотинные водозаборы 43
1.5.2. Приплотинные водозаборы 49
Выводы 62
2. Определение полей концентраций загрязняющих веществ в водотоках 64
2.1. Поле концентрации мгновенного точечного выпуска 64
2.2. Границы зоны загрязнения, создаваемой мгновенным точечным выпуском 75
2.3. Границы загрязнённой струи и зоны загрязнения при стационарном выпуске 82
2.4. Поле концентрации, создаваемое рассеивающим сбросом сточных вод, расположенным вдоль берега 86
2.5. Диффузия растворённого вещества из водной среды в донные наносы93
2.6. О влиянии движения донных гряд на скорость обмена растворёнными веществами между наносами и водой водотока 99
Выводы 109
3. Определение коэффициента турбулентной диффузии в водотоках 111
3.1. Подобие полей концентрации загрязняющих веществ в водотоках.. 114
3.2. Определение коэффициента диффузии Dy по данным о поле концентрации 117
3.3. Проверка расчётных зависимостей по экспериментам 124
3.4. Подобие полей концентрации загрязняющих веществ в донных наносах, определение коэффициентов диффузии 136
Выводы 145
4. Экспериментальные исследования процессов смешения и разбавления сточных вод с водами водотоков 146
4.1. Влияние условий выпуска на процесс разбавления сточных вод 146
4.2. Лабораторные исследования процессов смешения и разбавления загрязняющих веществ на гидравлической модели 149
4.3. Определение слоя взаимодействия донных отложений и потока 175
4.4. Экспериментальные исследования 185
4.5. Результаты экспериментальных исследований 188
Выводы 200
5. Теоретические и экспериментальные исследования предлагаемой конструкции наносоперехватывающеи галереи 202
5.1. Вывод расчётной зависимости для определения пропускной способности нпгалереи 202
5.2. Нахождение координаты, определяющей положение линии деления потока на входе в нпгалерею 205
5.3. Теоретическое построение траектории движения частиц влекомых наносов в зоне действия нпгалереи 209
5.4. Результаты проведённых исследований по изучению характеристик конструкции нпгалереи с обратным входом 215
5.4.1. Цель исследований и описание экспериментальной установки .215
5.4.2. Основы теории моделирования 220
5.4.3. Определение коэффициента расхода р нпгалереи с обратным входом 224
5.4.4. Определение коэффициента сопротивления вх на вход в нпгалерею 228
5.4.5. Определение коэффициента сжатия є потока при входе в нпгалерею 232
5.4.6. Кинематика потока в зоне действия нпгалереи 234
5.4.7. Проверка наносоперехватывающей способности нпгалереи 241
5.4.8. Результаты проверки работы рекомендуемой нпгалереи при реконструкции Большого Ставропольского канала 244
Выводы 251
6. Рекомендации по размещению водозаборов и водосбросов и пример расчёта наносоперехватывающей галереи при водозаборе 252
Выводы и предложения производству 262
Список использованной литературы 263
Приложения 285
- Детерминированные модели качества воды в водотоках
- Границы зоны загрязнения, создаваемой мгновенным точечным выпуском
- Определение коэффициента диффузии Dy по данным о поле концентрации
- Лабораторные исследования процессов смешения и разбавления загрязняющих веществ на гидравлической модели
Введение к работе
Актуальность проблемы. История человечества свидетельствует, как о благотворном влиянии деятельности людей на естественную среду обитания, так и о пагубных её последствиях. Сегодня важно сознавать неразрывную связь природы и общества, которая носит взаимный характер.
"В настоящее время водный сектор находится в состоянии системного кризиса... проблема управления качеством воды с целью обеспечения населения и водохозяйственного комплекса России водой нормального качества становится одной из самых актуальных социально - экономических проблем"
[1].
Одной из самой уязвимой части природы стали водные ресурсы. Широкое, зачастую бесконтрольное, использование пресной воды в хозяйственной деятельности сопровождается увеличением объёмов её отбора и сбрасыванием массы загрязняющих веществ антропогенного происхождения в водные объекты.
Большую часть пресной воды человечество получает из рек и водоёмов, они же являются основным приемником сточных вод, поэтому очень важным оказывается поддержание качества воды в них на приемлемом уровне, отвечающем, по возможности, запросам всех потребителей пресной воды.
В условиях антропогенного воздействия наиболее уязвимыми становятся воды малых рек, которые в гидрографической сети большинства географических регионов играют исключительно важную роль. Имея небольшую площадь водосбора, небольшую протяжённость, незначительный объём стока, они тем не менее оказывают большое влияние на качество воды средних рек, которые в свою очередь определяют качество воды крупных рек на отдельных участках их течения.
На химический состав воды малых рек оказывает влияние целый ряд
факторов - это и поступление сточных вод промышленных предприятий при котором могут произойти коренные изменения естественного состава воды и появятся специфические вещества, совершенно несвойственные природному фону, это и загрязнение удобрениями, ядохимикатами, нефтепродуктами, талыми и ливневыми водами урбанизированных территорий, это и зарегулирование стока малых рек, приводящее к изменению их естественного гидрологического и гидрохимического режима, изъятие стока малых рек на местные нужды: орошение, водоснабжение сельскохозяйственных и промышленных комплексов.
Поскольку многие малые реки несут значительное количество взвеси, при зарегулировании и изъятия из них стока, возникает проблема транспортирования и размещения избыточного объёма наносов, так как из-за сокращения водности и скорости течения сильно падает трансформирующая способность водотоков. Это приводит к заиливанию и обмелению русел, вследствие чего ухудшается качество воды.
В течение последних лет в результате интенсивного вовлечения в хозяйственный оборот новых земель, распашки неудобных территорий, вырубки леса, неправильных агромелиоративных мероприятий увеличилась поверхностно -склоновая эрозия. В то же время, из-за отвлечения значительной части местного стока на хозяйственные нужды, уменьшилась водность малых рек. Отношение объёма взвешенных веществ к объёму воды возросло. Всё большее количество загрязняющих веществ может сорбироваться на определённых участках водотока взвешенными веществами, которые, при изменении физико - химических условий в данной реке, могут стать источниками дополнительного загрязнения воды. Накапливаясь в донных отложениях, вещества - загрязнители могут быть исключительно стойким и длительно действующим фактором значительного ухудшения экологической обстановки в водоприем-
никах.
Проведённые в Гидрохимическом институте исследования показали, что из 100 г донных отложений в воду переходит от 1,5 до 100 мкг железа, марганца, алюминия, цинка, свинца, ртути, никеля [2].
Влияние этих факторов в комплексе или в отдельности в ряде случаев привело к существенному ухудшению экологической обстановки на водных объектах и поставило под угрозу экологическое благополучие водно-дефицитных ландшафтов степной зоны и Северного Кавказа.
Чистая пресная вода становится одним из основных ресурсов. Отсутствие действенных экономических рычагов управления, законодательной базы, стимулов рационального использования водных ресурсов, выделение бюджетных средств на их восстановление и охрану по остаточному принципу, оказывает негативное влияние на водохозяйственную обстановку в России.
"Для того, чтобы обеспечить национальную и территориальную водную безопасность... стабильное социально - экономическое развитие, нужно восстановить и сохранить в слабонарушенном состоянии природные водоисточники, превратить водопользование в устойчивое" [1].
В природных водах действуют естественные системы по улучшению качества воды и, до последних десятилетий, они успешно справлялись с антропогенной нагрузкой. Сейчас положение ухудшилось. Исследованиями на малых реках в нижнем течении р. Дон было установлено, что в местах сброса сточных вод от промышленных, сельскохозяйственных и коммунально - бытовых предприятий происходит накопление концентраций загрязняющих веществ, что определяется неоднородностью качества воды на различных участках водотока [3-9]. Неоднородность качества воды на исследуемых водных объектах определялась различной концентрацией загрязняющих веществ в поверхностных водах и донных отложениях. Особо это было отмечено в мес-
тах водозаборов.
В сложившейся обстановке важнейшим звеном в системе мероприятий по охране и рациональному использованию водных ресурсов следует считать гидро - экологические исследования качества водных ресурсов. Гидро - экологические исследования осуществляются в результате оценки текущего состояния водного объекта, а также экологического прогноза, выполняемого на основе показателей качества воды в данный момент времени с учётом возможных их изменений под воздействием антропогенных факторов в будущем. Практическое решение экологических проблем требует привлечение больших средств, персонала, оснащения вычислительной техникой, измерительной аппаратурой, инвентаризации точечных и диффузионных источников загрязнения, что в ближайшем будущем не представляется возможным.
В связи с этим необходимо производить очистку сточных вод от загрязняющих веществ перед тем, как сбросить их в водные объекты.
Но опять же - в ближайшей перспективе экономические причины не позволят делать сточные воды абсолютно безвредными, поэтому необходимо уметь определять оптимальный уровень, до которого должно осуществляться обеззараживание сточных вод. В итоге получаем проблему: - с одной стороны, природная экосистема не должна нарушаться, с другой стороны - требуются значительные экономические затраты на строительство и эксплуатацию очистных сооружений.
Природно - антропогенный комплекс неотделим от инженерных сооружений, нельзя разделять вопросы использования и охраны вод. Кризисная ситуация в водном секторе будет сохраняться из-за стратегии экстенсивного водоснабжения ~ строительство прудов и водохранилищ, территориальное перераспределение стока, освоение новых водоисточников. Проводится политика борьбы с последствиями, а не с причинами загрязнения. Решение же за-
дачи должно опираться на знание основных физических, химических, биологических, гидродинамических процессов, происходящих в реках, озёрах, морях.
При сбросе сточных вод предприятиями, населёнными пунктами, животноводческими фермами, дренажно - коллекторных вод с орошаемых территорий, да и просто в результате аварийных ситуаций систем водоотведения, возникают зоны загрязнения, в которых нарушаются естественные гидрохимические и биологические процессы. Как правило, это является следствием превышения концентрации вредных веществ установленных норм по рыбохо-зяйственным, санитарным и другим показателям. Наблюдается резкая неоднородность качества воды в разных участках водных объектов. Наличие разной неоднородности качества воды, особенно в местах, где имеются водозаборы, вызывает необходимость в проведении комплекса теоретических, экспериментальных и натурных исследований.
Необходимо уметь рассчитывать концентрацию загрязняющих веществ в интересующих створах, определять местоположение области максимальной концентрации, границы области загрязнения полей концентрации загрязняющих веществ. Для того чтобы можно было внести конкретные технические предложения по охране водного объекта (например, для определения допустимого количества сбрасываемых сточных вод или наиболее оптимального размещения мест водовыпусков, водозаборов) чрезвычайно важно иметь чёткое представление и о таких важных процессах, как процессы смешения и разбавления, существенно влияющих на снижение концентраций загрязняющих веществ в водной среде. Необходимо уметь строить и использовать для решения тех или иных практических задач модели переноса загрязняющих веществ в реках.
Предложенные к настоящему времени методы расчёта полей концен-
трации загрязняющих веществ в реках до сих пор не получили широкого практического применения по следующим причинам:
наиболее точные в математическом и физическом смысле модели, являются громоздкими в вычислительном отношении, что затрудняет их применение;
недостаточно точный учёт граничных условий в более простых расчётных зависимостях, например, применяющих усечённое нормальное распределение. Поэтому с удалением от места сброса точность этих моделей падает, что может приводить к значительным ошибкам при прогнозировании;
входящие в расчётные зависимости коэффициенты турбулентной диффузии или дисперсии недостаточно хорошо изучены, особенно в натурных условиях, и поэтому при определении их величин возникают ошибки, которые приводят в свою очередь к ошибкам при определении концентраций загрязняющих веществ.
Процессы, формирующие качество воды в водных объектах, необычайно сложны, вследствие чего и их математическое описание не может быть простым. Вместе с тем, математическая модель должна быть удобной для практического использования. "Математическая модель должна быть максимально простой, содержащей только элементы, действительно необходимые для решения задачи.... Кроме того, модель должна соответствовать той области деятельности и квалификации специалистов, для которых она предназначена" [4].
Все методики оценки качества речных вод предлагают отборы проб воды в контрольных створах, измерение гидравлических характеристик в момент отбора проб. Для правильной оценки необходимо располагать надёжным информационным обеспечением, которое представляли станции, лаборатории и посты наблюдений. Однако в последние время число этих постов и рабо-
тающий на них персонал заметно сократились, В результате возникла проблема снижения уровня информационного контроля за качеством речных вод. В этих условиях водоохранную деятельность приходится строить на основ таких методик оценки и прогнозирования качества поверхностных вод, которые предполагают небольшого объёма данных.
Из всего вышесказанного следует - разработка точных и в то же время достаточно удобных для практического применения методов расчёта характеристик полей концентрации загрязняющих веществ в водотоках на основе изучения процесса смешения сточных и речных вод является актуальной проблемой.
Экосистемный подход к водным объектам должен предусматривать комплекс первоочередных мероприятий, направленных на поддержание сбалансированности антропогенной нагрузки с непрерывно протекающими процессами жизнедеятельности на водных объектах. Это выдвигает ряд важнейших водноэкологических проблем, требующих комплексных исследований по разработке водоохранных технологий с использованием экологически приемлемых конструктивных решений.
Водные объекты, содержащие загрязняющие вещества являются источниками водопользования. Поэтому организацию водозаборов из них для ирригационных целей, и особенно для целей водоснабжения населённых пунктов, необходимо производить с учётом выполнения экологических требований.
Для защиты водоприёмных сооружений от попадания донных отложений, которые не только могут заносить начальные участки водопроводящих систем, но и являются источником вторичного загрязнения, в гидротехнической практике разработано большое количество конструкций разного типа водозаборов из рек с наносоперехватывающими устройствами. При рассмот-
рении работы наносоперехватывающих устройств для различных типах водозаборов из рек были отмечены их достоинства и недостатки. Для обеспечения надёжной борьбы с поступлением донных отложений в водоприемниках, при снижении материальных затрат, рассмотрена конструкция наносоперехваты-вающей галереи с обратным входом из поперечной траншеи, устраиваемой на начальном участке водопроводящего канала, не имеющей себе подобных аналогов.
Таким образом: учитывая сложную кризисную ситуацию водного сектора, невозможность проведения детальных гидроэкологических исследований из-за отсутствия необходимого финансирования, оснащённости оборудованием, сокращения постов наблюдений, - необходимо продолжать работу по созданию методов расчёта характеристик полей концентраций загрязняющих веществ в водотоках на основе изучения процесса смешения сточных и речных вод с целью прогнозирования качества воды в водных объектах в условиях ограниченной информации.
Повышение требований к качеству воды, забираемой из водотоков транспортирующих донные загрязнённые отложения, для целей ирригации и водоснабжения, необходимость реконструкции ранее построенных головных водозаборных сооружений, делает и в настоящее время актуальной проблему создания рационального и надёжного противонаносного устройства.
Целью работы является разработка методики прогноза качества воды и защита водозаборных сооружений на малых реках.
Для решения поставленной цели решались следующие задачи:
разработка теоретических основ методики расчёта полей концентрации загрязняющих веществ в поверхностных водах и донных отложениях;
определение коэффициента турбулентной диффузии по натурным и экспериментальным исследованиям;
исследование влияния формы водовыпуска на процесс смешения сточных вод в водотоках;
теоретическое и экспериментальное обоснование гидравлических режимов работы противонаносного устройства для водозаборов на малых реках;
Предмет исследования -процессы, протекающие в поверхностных водах и донных отложениях при смешении сточных вод с речными, и способы защиты систем водообеспечения от загрязняющих веществ.
Объектом исследования являются малые реки равнинного и предгорного типа, а также конструкции водоприемников на них, обеспечивающие необходимое качество забираемой воды.
Методологические основы и методы исследования. Теоретической и методологической основой исследований являются фундаментальные труды отечественных и зарубежных учёных по проблемам функционирования и развития геосистем; фундаментальные труды по теории создания математических моделей качества вод и использовании их на практике при планировании водохозяйственной деятельности.
В качестве общих методов исследований использовались методы математической статистики и пакеты программ для персонального компьютера. Теоретическая часть задач решалась аналитическими и численными методами. Проверка математических моделей производилась при помощи лабораторных и натурных экспериментов.
Работа выполнялась в соответствии с тематикой исследований Гидрохимического института в период 1975 - 1983 г.г., в Новочеркасской инженерно - мелиоративной академии (НИМИ) и в СевКавНИИВХ при выполнении ряда тем ГКНТ СССР по заданию «Севкавгипроводхоза», «Ставропольводме-лиорации», «Южгипроводхоза», «Ростовводмелиорации» с 1986 по 1999 г.г.
Научная новизна работы:
впервые разработаны методика расчёта прогнозы качества воды совместно с деятельностью по инженерной защите водных ресурсов от антропогенного воздействия на малых реках равнинного и предгорного типа;
получены аналитические зависимости для определения полей концентраций загрязняющих веществ в водотоках;
разработана методика определения коэффициента турбулентной дисперсии для малых водотоков;
получены уравнения для определения границы зон загрязнения и зон влияния в поверхностных водах и донных отложениях на малых реках;
установлены аналитические зависимости для оценки влияния формы и условия сброса на распространение загрязняющих веществ в водотоках;
разработана конструкция наносоперехватывающего устройства, обеспечивающие снижение поступления загрязнённых донных отложений в водоприемник (П.№ 202902)
На защиту выносятся результаты теоретических и экспериментальных исследований процессов смешения сточных вод с речными на основе которых разработаны расчётные зависимости:
для расчёта полей концентраций при точечных и рассеивающих сбросах загрязняющих веществ
расчётные зависимости для определения границ загрязнённой струи, создаваемым сбросом сточных вод;
методы определения коэффициента турбулентной дисперсии по натурным данным о полях концентрации в поверхностных водах и донных отложениях;
рекомендации по рациональному размещению сбросов и водозаборов;
теоретические и экспериментальные исследования параметров наносопе-рехватывающей галереи, используемой при водозаборах из рек с обильными
донными наносами.
Практическая значимость. Результаты исследований сформированы в виде практических рекомендаций по прогнозированию и регулированию качества поверхностных вод.
Разработанные рекомендации позволяют определить местоположение и условия выпуска сточных вод, обеспечивающие необходимый уровень качества воды в водотоке.
Исследована и запатентована усовершенствованная конструкция нано-соперехватывающей галереи (П. №202902) для водозаборов из рек с обильными донными наносами, использованная в проектной практике и показавшая хорошие эксплуатационные результаты по надёжной защите водопроводящих каналов от поступления донных наносов
Личный вклад. Обоснование и постановка проблемы, формирования научной идеи и задач исследований, а также методологического подхода к их реализации, экспериментальное обоснование, анализ и формулировка результирующих положений осуществлены лично автором. Конкретные задачи теоретических разработок по диффузионным процессам решались совместно с к.т.н., доцентом Филькиным Г.В. Постановка задачи и исследование наносо-перехватывающей галереи осуществлена совместно с к.т.н., доцентом Кон-дюриным М.А. В проведении экспериментальных и натурных исследований внутриводоёмных процессах на реках Северного Кавказа, БАМа принимали участие сотрудники Гидрохимического института.
Реализация результатов диссертационной работы.
В период с 1976 по 1999 г.г. результаты внедрения отображены в актах.
Разработанные методы прогнозирования диффузионных процессов вошли в рекомендации по расчёту предельно допустимых концентраций загрязняющих веществ проектных институтов: Южгипроводхоза, Севкавгипровод-
хоза.
Методические указания прогноза качества воды использованы АО «Ростовводмелиорация» при исследовании влияния коллекторно - дренажных вод Аксайской оросительной системы за пределами орошаемых участков.
Теоретические исследования диффузионных процессов в донных отложениях использованы в отчётах Гидрохимического института по проблемам переброски стоков северных и сибирских рек.
Разработанная методика по определению границ зоны влияния загрязняющих веществ использована при оценке влияния Право - Егорлыкского канала на качество воды в Городовиковском водохранилище по заданию Став-ропольводэксплуатации.
Методика расчёта полей концентрации загрязняющих веществ использована проектным институтом Севкавгипроводхоз при гидрогеологических изысканиях Большом Ставропольском канале.
Разработанная конструкция наносоперехватывающей галереи использована Севкавгипроводхозом в проекте «Реконструкция водозабора на реке Подкумок для Ессентукского водохранилища в Ставропольском крае».
Наносоперехватывающая галерея с обратным входом построена в составе водозаборного сооружения на реке Черек канала Аксыр в Кабардино -Балкарии, а также в качестве промывника отстойника на водозаборном узле Шалинской оросительной системы в Чеченской республике.
Апробация работы и публикации. Основные положения и отдельные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всесоюзных гидрохимических совещаниях: г. Новочеркасске (1978 г.) и Ростове н/Д (1984,1987 г.г.), научных семинарах Севкавгипроводхоза, ЮЖНИИГиМа (1981 - 1986 г.г.), на научно-практической школе-семинаре по проблемам рационального использования природных ресурсов (1985 г.), на заседаниях ка-
федры ГТС Грузинского СХИ в 1982 г., на Всероссийских конференциях в г. Новочеркасске (1994 - 1999 г.г.), на технических советах проектных институтов Южгипроводхоза, Севкавгипроводхоза, Ставропольского Крайводхоза (1985 - 1999 г.г.) Результаты исследований опубликованы в 50-ти печатных работах, в том числе монография "Мелиорация и охрана вод" и получен патент на изобретение.
Автор выражает благодарность заслуженному деятелю науки и техники РФ, д.т.н., проф. A.M. Черняеву, профессору В.Н. Шкуре, доктору географических наук М.П. Далькову, д.т.н., проф.В.А. Волосухину, д.т.н., проф. А.Е. Косолапову, д.т.н., проф. Ю.П. Полякову, д.т.н., проф. В.И. Ольгаренко, д.т.н., проф. Д.П. Гостищеву, к.т.н. В.Н. Дерябину за методическую помощь и поддержку при подготовке диссертационной работы.
Объём и структура работы. Диссертационная работа изложена в шести главах на 326 странице машинописного текста, содержит 55 таблиц, 43 рисунка, 4 приложения. Список использованных источников включает 237 наименований.
Детерминированные модели качества воды в водотоках
В настоящее время основным уравнением для описания процесса разбавления считают уравнение турбулентной диффузии [44,47,48]. Введём систему координат, направив ось X вниз по течению, ось Y поперёк реки от левого к правому берегу, ось Z - вертикально вверх. Этой системой координат будем пользоваться всюду и в дальнейшем. Уравнение диффузии тогда запишется в следующем виде: ди ди ди ди д2и д2и d2u w л ot дх ду OL дх оу dz где u(x,y,t) - концентрация исследуемого компонента вектора качества; Vx, Vy, Уг - скорости воды вдоль соответствующих осей; Dx, Dy, D2 - коэффициенты турбулентной диффузии в соответствующих направлениях; F - характеризует неконсервативность веществ загрязнения. Следует заметить, что как скорости, так и коэффициенты диффузии являются функциями переменных х, у, Z.
В левой части уравнения (6) все члены, креме первого учитывают конвективный перенос, в правой части уравнения все члены, кроме последнего, учитывают диффузионный перенос. Уравнение (6) является параболическим линейным уравнением в частных производных. Для его решения необходимо задать некоторые начальные и краевые условия. Постановка краевых условий определяется величиной потока вещества через границу рассматриваемой области. Начальные условия задастся в виде [49]: u = u(x,y,z,0) (7) Обычно принимают концентрации в начальный момент равной нулю или постоянное величине [44,49]. Граничное условие на боковой поверхности - линейная функция относительно загрязняющего вещества и обычно имеет вид [44]: Р—= аи; (8) дп здесь п - внешняя нормаль к граничащей поверхности, р и а - постоянные величины, причем а характеризует проницаемость границы. Если происходит полное отражение примеси, а равна нулю. Задают также граничные условия в начальном створе в виде [44]. u = u(0,y,z,t (9) В качестве условий в замыкающем створе или на бесконечности полагают ограниченность концентрации [44,48]. u(oo,y,z,t) oo . (10) Решение уравнения (6) в общем виде со всеми граничными и начальными условиями практически невозможно. Всегда стараются его значительно упростить, отбрасывая те члены, роль которых в данном конкретном процессе малосущественна. Производится также объединение некоторых членов в интегральные, учитывающие в некоторой степени их функции.
Получаются модели разной степени общности, пригодные для многих практических целей. Наиболее часто рассматривают два режима поступления сточных вод [17,44,49]: а) установившийся процесс поступления загрязняющего вещества в реку, то есть выпуск сточных вод с постоянным по времени расходом; б) единовременные (залповые) выбросы сточных вод. Процесс разбавления рассматривается как установившийся, если объём поступлений и концентрация загрязняющего вещества, а также расход реки на данном участке приблизительно постоянны в течение рассматриваемого отрезка времени [44]. "Правилами охраны поверхностных вод от загрязнения сточными водами принято, что в качестве расчетного бытового расхода реки должен приниматься расход 95%-ной обеспеченности. При этом сначала устанавливается среднегодовой расход 95%-ной обеспеченности и в качестве расчетного принимается минимальный среднемесячный расход воды года, на который приходится среднегодовой расход 95%-ной обеспеченности" [16].
Уравнение турбулентной диффузии (6) в условиях установившегося разбавления значительно упрощается. Как считает ряд исследователей [17,44,48], снижение концентрации за счет разбавления в этом случае идёт в основном за счет вертикального и поперечного перемешивания, т.е. перемешивания вдоль осей у и z . Роль продольного разбавления несущественна.
При залповом сбросе продольное перемешивание, т.е. перемешивание вдоль оси X существенно, и его роль может быть гораздо более значительна, чем перемешивание в вертикальном и поперечном направлениях [15,44].
Под искомой концентрацией можно понимать как действительную концентрацию и загрязняющего вещества, так и приведенную концентрацию ипр выражая эту величину в превышении над фоновой, т.е. над концентрацией Сф сформировавшейся в речной воде выше места рассматриваемого сброса.
В таком общем виде решать данное уравнение можно, по-видимому, только численными методами, к тому же для его решения необходимо знать поле скоростей, зависимость коэффициентов диффузии от геометрических координат и так далее, что в настоящее время затруднительно. Поэтому приходится вводить упрощающие предложения [17,44]. Величиной поперечной скорости пренебрегают по сравнению с продольной. Далее, вместо использования переменных коэффициентов диффузии вводятся коэффициенты дисперсии, которые считают постоянными величинами [24]. При помощи увеличения коэффициентов дисперсии по отношению к коэффициентам диффузии учитывается конвекция в поперечном направлении, а также неравномерность поля скоростей.
Границы зоны загрязнения, создаваемой мгновенным точечным выпуском
Зоной загрязнения принято считать область, в которой концентрация загрязняющего вещества превышает допустимую по санитарным, рыбохо-зяйственным или каким-либо другим нормам [39]. Обозначим эту граничную концентрацию А. Определим границы зоны загрязнения, создаваемой мгновенным точечным выпуском массы т0 на прямой. Для удобства поместим его в начало координат. С увеличением t левая часть неравенства уменьшается и при t = t\ становится равной единице, а затем меньше. В момент времени д логарифм равен нулю, а значит равно нулю и подкоренное выражение, затем выражение (53) теряет смысл. Это связано с тем, что после t\ концентрация всюду меньше А.
Рассмотрим теперь границы зоны загрязнения, создаваемой мгновенным точечным выпуском массой то на полупрямой х О.Выпуск расположен в точке хо = 0. Поле концентрации в этом случае для х 0 будет описываться формулой: mo -ж лМлШ Є m (x,t) = - e- (57) Здесь удвоение величины поля концентрации происходит в результате отражения примеси от границы х = 0. На границах зоны загрязнения концен 78 трация равна А, поэтому имеем: 2Шо л/4яШ А = -гШ е ш. Проводя затем выкладки, аналогичные тем, которые проводились при выводе формулы (53), получим: т0 »-ГЇЙ? (58) InUt Левой границей области загрязнения является здесь точка х = 0. Для tA получаем формулу аналогичную (54): tA--?8-- (59) Видно, что теперь время уменьшения концентрации до безопасной в четыре раза больше. Момент времени tr, при котором величина зоны загрязнения наибольшая, определяется формулой: 2 2 t = —1И = ОД 17-Ш -. (60) Д nDe ДО Определим максимальный радиус зоны загрязнения. Подставляя (60) в (58) и проводя несложные преобразования, получим: r = Що СЕ = 0,484. (61) А \%е А Радиус, определяемый (61) оказался в два раза больше, чем радиус определяемый (56). Наиболее часто на практике рассматривается поле концентрации, создаваемое стационарными выпусками. Стационарными считают такие выпуски, у которых изменением расхода с течением времени можно пренебречь.
Определим сначала поле концентрации, создаваемое стационарным выпуском в безграничном пространстве. Пусть в безграничном пространстве течёт жидкость со скоростью V вдоль оси х, в начале координат находится точечный источник загрязняющего вещества расхода q(t), концентрации c(t), их произведение есть величина постоянная, равная то. Эта величина - масса загрязняющего вещества, выбрасываемого за одну секунду. В безграничном пространстве решение уравнения (16) в случае точечного выпуска расположенного в начале координат имеет вид.
Можно предположить, что полю концентрации, создаваемому стационарным точечным выпуском в ограниченном потоке будет соответствовать по аналогии поле концентрации, создаваемое мгновенным точечным выпуском на ограниченной части плоскости. В системе координат ху получим уравнения для границ струи, содержащей 99,7% всего вещества загрязнения. Аналогично получаются уравнения границ, в пределах которых содержится mi % загрязняющего вещества: "j—- (75) Определение величин К; по соответствующим ШІ проводится с помощью таблицы 2. Формулу (75) при К; 4,2 можно применять только до створа х = 0.0567"— . Дальше они становятся неверными, т.к. не учиты вают отражения загрязняющего вещества от берегов. Как следует из (74) поперечные размеры струи увеличиваются пропорционально yfx , где х расстояние от места выпуска. Следовательно, отношение поперечных размеров струи к расстоянию от места выпуска, стремится к нулю при увеличении X .
Найдём теперь зависимости для границы зоны загрязнения для стационарного выпуска. Для мгновенного точечного выпуска это (53). Подставим в (53) вместо t величину x/V . Затем вместо массы то величину m0/V. Такая замена объясняется тем, что за одну секунду выпуск выдаёт то вещества загрязнения. При этом на 1 метр в направлении оси х приходится m /V вещества загрязнения.
В квадратных скобках в формуле (85) три слагаемых, причем наибольшим по величине является первое слагаемое. Для простоты рассмотрим интеграл вида: С,(х,уН . т«%_.е" . (87) ЭТОТ интеграл является несобственным, так как при = подынтегральное выражение не существует, тем не менее можно показать, что данный интеграл сходится. Для того, чтобы убрать несобственность интеграла, поступаем следующим образом: было доказано, что границы загрязненной струи, создаваемой точечным береговым сбросом описывается уравнением: Y(x) = K .x, где коэффициент К зависит от того, сколько процентов загрязняющего вещества содержится между данной границей и берегом, с которого совершается сброс.
Определение коэффициента диффузии Dy по данным о поле концентрации
При этом у ближнего берега значение концентрации, создаваемое сбросом, имеет максимальное значение, у противоположного - минимальное. Этот способ применяется при детальных исследованиях, когда берутся несколько значений концентрации в поперечном створе. В службе наблюдений часто ограничиваются тем, что находят максимальное значение концентрации в данном поперечном створе. В этом случае предлагается одноточечный способ.
Рассмотрим сначала двухточечный способ и выведем здесь формулу для двух случаев. Рассматривается такое х , что загрязняющая струя, содержащая 99,7% вещества уже достигла противоположного берега, но D - граница с К = 4,2, отразившаяся от левого берега, ещё не дошла обратно к правому. Анализируя (50) можно показать, что створ будет удовлетворять no il, ставленным выше условиям, если для отношения выполняется нера тах венство: 0,024 332 (145) max Действительно, если D - граница с показателем К = 4,2 ещё не подошла вновь к правому берегу, то приведённая концентрация может быть описана формулой: m u(x,y)= У2У (2В-у)2У Иу]пхУВі е у +е у Так как, максимальная концентрация в створе достигается при у = 0, а минимально при у = В, то получим: 119 u min m H TCXVD m H TIXVD B2V 1+e Dyx B2 V » 4D У Их отношение равно: min . 2e B2V 4Dyx max 1+exp f В2Уі (146) В створе, где D - граница с показателем К = 4,2 подходит к левому берегу, это отношение равно 0,024. Доказывается это следующим образом. Створ X, где D - граница с показателем К = 4,2 достигает левого берега, находится из уравнения (79), в котором у (х) приравнивается В.
У рек гидрометрические характеристики могут значительно изменяться от створа к створу. Существующие местные неоднородности оказывают влияние на величину коэффициента диффузии. Поэтому при их вычислении по предлагаемым формулам, необходимо вычислять их значения, используя несколько створов, а затем брать среднее значение. Если величина Dy известна, то с помощью зависимости (150) можно определять расстояние до створа с заданной степенью перемешивания. Из (150) следует зависимость: B2V x=Ci-jT- - (157) у Здесь величина Сі определяется, как и ранее, по задаваемой степени перемешивания А. Непосредственное сравнение величин концентраций, полученных по предлагаемым зависимостям, со значениями, рассчитанными по методике А.В. Караушева, и помещёнными в [39], показало их практическое совпадение. 124 Рассмотрим пример расчёта, помещённого [39]. Исходные данные, в наших обозначениях, следующие: qo = 50,6 м3/с, С=100, V = 2,42 м/с, Н = 2,37 м, В = 26,5 м, Сф = 0. В этом примере расход сточных вод равен примерно третьей части суммарного расхода реки и сточных вод, поэтому источник загрязнения нельзя считать точечным. Вычисление значений концентраций проводят по расчётной зависимости (78), где L = qo/Q = 8.8 м. Различие между значениями концентраций, рассчитанными по методу конечных разностей и по формуле (78) составляет 1-2 %. Приведём значения концентраций в створе х = 700 м (табл.9) Таблица 9. Сравнение значений концентраций, рассчитанных по методу конечных разностей и по расчётной зависимости (78) U 1,3 3,9 6,5 9,1 11,7 14,3 16,9 19,5 22,1 24,7 Расчёт по методу Караушева 81 75 63 49 34 21 13 7 4 3 Расчёт по (78) 81 75 63 48 33 20 11 5 2 1 Некоторое несовпадение значений в последних столбцах таблицы объясняются тем, что в опубликованном примере в качестве L взяли не 8,8 м, а 9,1 м для того чтобы размеры клеток были удобнее для расчёта по методу конечных разностей. В связи с этим возникло некоторое завышение значений концентрации, заметное у противоположного, по отношению к сбросу, берегу.
Экспедицией ГХИ проводились полевые работы по исследованию реки Шахтаум, являющейся притоком Тынды. 125 Изучались процессы перемешивания воды реки Шахтаум и сбросных вод городской канализационной станции ГКНС. Исследования проводились 12,20 июля, 5, 17 августа. Исследования 12 июля носили предварительный характер, на них отрабатывалась методика измерений и поэтому их результаты в дальнейшем не были подвергнуты обработке.
Полевые работы состояли в измерении гидравлических элементов потока с одновременным отбором проб на химический анализ. Измерялись также температура воды и её мутность.
В конце июля и в августе часто шли сильные дожди, поэтому происходило переформирование русла. В каждом эксперименте приходилось отдельно измерять скорости, глубины и другие гидравлические характеристики. Исследования проводились кандидатом химических наук Т.П. Лапшиной, кандидатом технических наук Т.А. Кондюриной, Г.И. Сокирко и другими. Река Шахтаум является предгорной рекой, русло слабо извилистое, ф = 1,22. Средняя ширина реки 10 - 12 м. Происходит чередование плёсов и перекатов. Гребни перекатов расположены друг от друга на расстоянии 40 -50 м. Длина перекатных участков примерно 10 - 12 м. Значения L для каждой серии экспериментов также занесены в таблицу 9. Величина L мала по сравнению с шириной потока, поэтому источник можно считать точечным, и расчёт концентрации проводится по формуле (78). Величина коэффициента Dy определяется по формуле (150) с помощью таблицы 8 в зависимости от соотношения минимальной и максимальной приведённых концентраций в створе. Значения этих электропроводно-стей берутся из эксперимента. Величина коэффициента дисперсии вычисляется для двух - трёх створов, а затем берётся средняя величина.
Лабораторные исследования процессов смешения и разбавления загрязняющих веществ на гидравлической модели
Исследования проводили в прямоугольном лотке шириной 0,80 и длиной 7,0 м. Стационарный режим поступления сточных вод в водоток имитировали путем выпуска в поток раствора метиленовой сини. Для определения поля концентраций были поставлены следующею серии экспериментов. 1.Изменяли форму выпуска, т.е. применяли различные насадки: ци 150 линдрический с диаметром выхода струи doi= 4 см, расходящийся с do2 = 6 см и сходящийся с do3 = 2 см. Для всех насадков опыты вели при расходах сточных вод q0 равных 0,5; 1; 2 л/с. Выпуск индикатора осуществляли с берега, глубина потока Н была равна 10 см; расход воды искусственного водотока Q составлял 13,5 л/с. 2.Изменялн местоположение выпуска сточных вод (выпуск с берега и в середину потока). Выпуск индикатора в середину потока по той же форме, как и в п. 1; q0 = 0,5 л/с, Н = 10 см, Q = 13 5 л/с . З.Изменяли ширину лотка: Bi = 80 см; Вг = 50 см; В3 = 30 см. Насадок для сброса сточных вод цилиндрический; q0 = 1 л/с; выпуск с берега, Н = 10 см; Q = (13,5;9;4) л/с. 4-Изменяли глубину воды в лотке: Hj = 10 см; Н2 = 15 см; Нз = 20 см, ЕЦ. = 25 см. Ширина лотка 30 см; насадок цилиндрический, qo = 1 л/с; выпуск с берега; Q = (4.0; 7,6,11,0; 15,9) л/с. Все серии опытов, за исключением второй, проводили при различных соотношениях расходов речных (Q) и сточных (qo) вод. Этого достигали следующим образом: в первой серии экспериментов при постоянном расходе основного потока изменяли расход сточных вод: соотношение расходов Q/qo составляли 27, 13,5; 6,75. В третьей и четвертой сериях при постоянном расходе сточных вод изменяли расход основного потока; соотношения; расходов составили 4 -15,9.
Для отбора проб воды было сконструировано вакуумное устройство, которое позволяло брать пробы одновременно в 40 точках створа. Концентрацию индикатора определяли колориметрическим методом и использованием ФЭК-56.
Результаты опытов показали, что концентрация индикатора во всех сериях была распределена неравномерно и индикатор имел вид пятен неправильной формы. Такое распределение обусловлено турбулентным режимом потока. В результате указанного движения водных масс у ограничивающих поток стенок зарождаются отдельные вихри, отделяющиеся через некоторое время в толщу потока. При движении вихри захватывают соседние массы воды с растворёнными в них веществами. Такой захват веществ происходит дискретным образом. Вихри в своём движении испытывают сопротивление, поэтому наблюдается непрерывное отсасывание части водных масс с боковых и лобовых поверхностей, которое постепенно затухает в пространстве.
Максимальные значения концентрации индикатора отмечали в различных местах, как по глубине, так и в плане потока. В 1 створе, который находился на расстоянии 10см. от выпуска раствора индикатора, максимальные значения концентрации преобладали у дна потока. Здесь, по-видимому, наиболее резко сказывается различие скоростей патока и вытекающей струи с индикатором. В табл.21 показано распределение максимальных значений концентраций индикатора по глубине и в плане потока при выпуске индикаторного раствора через различные насадки.
Результаты эксперимента показали, что к: 5 створу происходит выравнивание концентрации индикатора по глубине, но распределение в поперечном сечении потока характеризуется ещё значительной неравномерностью. На начальном участке явно выражена струйность потока. Максимальные значения концентрации отметены в местах выпуска индикаторного раствора. Ближе к периферийным от места выпуска вертикалям концентрация индикатора снижается, а становится близкой к фоновой.
При выпуске индикатора из сходящегося насадка наблюдали более быстрое снижение концентрации по длине водотока, чем при выпуске из расходящегося и цилиндрического насадка. Однако, следует отметить, что хотя по абсолютному значению снижение концентрации при выпуске из сходящегося насадка происходит быстрее, но более равномерное распределение индикатора как в поперечном сечении потока, так и по длине отмечается при выпуске из расходящегося и цилиндрического насадков при одинаковых соотношениях расходов. Визуально отмечали, что струя, выходящая из сходящегося насадка, пронизывала толщу основного потока, разбиваясь на отдельные части. Исходя из этого можно предполагать, что на процесс смешения речных и сточных вод влияет в данном случае не столько соотношение расходов Q/qo сколько соотношение скоростей выходящей струи и основного потока.
При выпуске индикатора на середину потока распределение концентрации по глубине и ширине более равномерно, чем при выпуске с берега, так как струя не испытывает стеснения ограждающих поток стенок.
Большое значение при определении поля концентраций имеет ширина потока. Изменяя ширину потока, наблюдала эффект отражения вытекающей струя от противоположного берега. При этом следует отметить, что при уменьшении ширины лотка выравнивание концентрации индикатора в продольном направлении потока происходит медленнее. Так, например, при изменений ширины лотка средняя концентрация индикатора в 5 створе следующая: при Bj = 80 см; Cj = 0,42 мг/л; при Щ. = 50 см; С2 0,92 мл/л; при Вз = 30 см Сз = L98 мг/л. На неравномерность распределения концентрации оказывало влияние и изменение соотношения расходов Q/qo-
