WWW.KNIGA.LIB-I.RU
БЕСПЛАТНАЯ  ИНТЕРНЕТ  БИБЛИОТЕКА - Онлайн материалы
 

Pages:   || 2 | 3 | 4 |

«ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМ ИТЕТ СССР ПО ГИДРОМ ЕТЕОРОЛОГИИ И КОНТРОЛЮ ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ...»

-- [ Страница 1 ] --

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМ ИТЕТ СССР

ПО ГИДРОМ ЕТЕОРОЛОГИИ И КОНТРОЛЮ

ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ

ГИДРОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

Методические

основы

оценки

и регламентирования

антропогенного

влияния

на качество поверхностных вод П од редакцией засл. деят. науки и техники РСФСР проф. А. В. Карауш ева Издание 2-е переработанное и дополненное Л енинград Г идром етеоиздат 1987 УДК 556.004.65 Рецензент: канд. геогр, наук М. М. Айнбунд В монографии дана типизация рек и водоемов как приемников сточных вод, а также общая характеристика процессов загрязнения и самоочищения водных масс. Приведены способы оценки фоновых характеристик качества воды. Изло­ жены теоретические основы и сущность методов расчета распространения консер­ вативных и неконсервативных растворенных и взвешенных веществ в реках и водоемах. Рассмотрена система интегральных гидрологических и гидрохимичес­ ких показателей качества воды. Дана методика определения предельно допусти­ мых сбросов загрязняющих веществ в реки и водоемы. Приведены примеры расчета.

Монография предназначена для гидрологов, гидрохимиков, работников сани­ тарной службы» гидротехников, сантехников и специалистов, работающих в об­ ласти охраны окружающей среды.



1903030200*106 „ ^ М ------------------------- 7 (X) —87 Государственный гидрологический институт (ГГИ), 1987 г,

ПРЕДИСЛОВИЕ

За годы, прошедшие с момента выхода в свет первого издания моно­ графии (1981 г.), актуальность проблемы охраны окружающей среды не только не уменьшилась, но, напротив, сильно возросла. Это объяс­ няется как все увеличивающейся антропогенной нагрузкой на природ­ ную среду, так и возрастающим сознанием опасности такой ситуации.

Продолжающиеся дискуссии о подходе к проблеме охраны природы позволили заметно сблизить мнения и ученых и практических работни­ ков о путях борьбы с отрицательными последствиями антропогенного воздействия на окружающую среду. Теперь уже нет приверженцев борьбы за "стерильную природу’-в с е отдают себе отчет в том, что ан­ тропогенное влияние на природную среду неизбежно, как неизбежна хозяйственная деятельность и ее дальнейшее развитие. Несмотря на все меры которые принимаются и будут доступны в будущем для предот­ вращения выбросов в атмосферу, воду и в почву различных не свойст­ венных природе веществ, полностью избежать их попадания в окружаю­ щую среду в обозримом будущем, по-видимому, не удастся. Вообще все виды деятельности человека оказывают в той или иной мере суще­ ственное влияние на среду и вызывают ее ответную реакцию. Главным оказывается вопрос о методах регламентации вредных воздействий на природу и поиски путей регулирования взаимоотношений между чело­ веческим обществом и средой. Последняя задача, и это совершенно очевидно, разрешима только в условиях социалистической организации общественных отношений. Примером является наша страна, где требо­ вания охраны окружающей среды содержатся в Конституции и постоян­ но находят отражение в постановлениях Ц К КПСС и Совета Минист­ ров СССР. Проблеме охраны окружающей среды в тесной увязк е с задачами научно-технического прогресса м борьбы за сохранение мира было уделено большое внимание на XXVII съезде КПСС, принявшем по этой проблеме ряд важных решений. Важнейшей задачей ведомств, общественных организаций и всех граждан нашей страны является неукоснительное выполнение этих постановлений и соблюдение дейст­ вующих правил охраны природы, проявление постоянной заботы о рациональном природопользовании.





Авторитетные ученые (Ю А, Израэль / 22, 23/, М. М. Камшилов.

/26/, Е К. Федоров / 89, 90/, И. Т, Фролов /93/ и др.) справедливо счи­ тают, что в настоящее время стратегия отношения человека к природе должна рассматриваться как одна из важнейших проблем научно-техни­ ческой цивилизации и быть направлена на регулирование взаимодейст­ вия человека и природы, Высказывается соображение, что она должна включать коррекцию развития природы в целях ее обогащения и посте­ пенного приспособления к цивилизации. И. Т. Фролов пишет : ’’ ауч­ Н но-техническая революция. органически соединяемая с преимущества­ м и социализма, создает предпосылки для проведения в жизнь техноло­ гических мероприятий, обеспечивающих не только сокращение загряз­ нения окружающей средь*, сохранение природы, но и прогрессивное улучшение ее, оптимизацию биосферы ”. В монографиях упомянутых ученых особо подчеркивается тесная взаимосвязь проблемы рациональ­ ного природопользования с социально-экономическими проблемами, отмечаются при этом преимущества социалистической организации об­ щественных отношений и необходимость сохранения мира.

В 1982 г. опубликована книга В. А. Аникеева (с соавторами) j4j, посвященная технологическим аспектам охраны окружающей среды.

В ней на основе анализа взаимодействия производства и среды рассмат­ риваются возможные инженерные и экономические решения, направ­ ленные на снижение отрицательного антропогенного воздействия на сре­ ду в условиях существующих технологических процессов. Предложен­ ные решения представляются весьма важными, однако задача регули­ рования и управления природной средой, безусловно, остается одной из сложнейших научных проблем наших дней и, видимо, и последующих поколений. В ее решение включаются планирующие и хозяйственные органы государства. Комплексность проблемы требует участия в ее разработке ученых многих специальностей. Определенное место зани­ мают здесь и гидрологи.

Авторы настоящей книги надеются, что их разработки будут содейст­ вовать решению конкретных гидрологических, водохозяйственных и санитарно-гигиенических задач, возникающих при планировании водо­ пользования, и сбросов сточных вод в реки и водоемы, при создании природоохранных сооружений и комплексов. Несмотря на то что мето­ ды очистки сточных вод постоянно совершенствуются и что в настоя­ щее время объем неочищенных сточных вод, поступающих в водные объекты, существенно снизился, сохраняется актуальность оценки об­ ласти распространения этих вод в речных потоках, озерах и водохрани­ лищах. Вместе с тем требуются объективные критерии оценки степени влияния не только неочищенных, но и очищенных сбросов на качество водных масс. Требуется и общая оценка их ассимилирующей способ­ ности. Эти задачи рассматриваются в настоящей монографии. Рассмот­ рены также вопросы регламентирования сбросов сточных вод в реки и водоемы.

Первое издание монографии быстро нашло своих читателей, получи­ ло их одобрение. Появилась необходимость во втором издании. Второе издание существенно отличается от первого. Оно содержит не только новый материал, но и усовершенствовано в отношении структуры.

ГГИ надеется, что новое издание монографии окажется полезным тем организациям и специалистам, деятельность которых связана с оценкой и контролем состояния поверхностных вод суши, с проектиро­ ванием сбросов сточных вод и водозаборов из рек и водоемов.

Второе издание монографии подготовлено в лабораториях наносов и качества вод Государственного гидрологического института коллек­ тивом авторов в следующем составе: д-р техн. наук, проф. А. В. Караушее, канд. геогр. наук Б. Г. Скакальский, канд. техн. наук А. Я. Шварц­ ман, Н. А. Давтян и Л. П. Алексеев, канд. биол. наук М. В. Цивьян, ин­ женеры Д Я Меерович и Г. А. Паничкина. Общее руководство работой и редактирование осуществлено А. В. Караушевым.

Авторы будут благодарны читателям за любые советы и замечания по содержанию книги.

ВВЕДЕНИЕ При планировании водохозяйственных мероприятий учет качества воды имеет, как правило, не меньшее значение, чем количественная оценка ее ресурсов. Это обусловлено тем, что вследствие развития промышлен­ ности, урбанизации обширных территории и интенсификации сельского хозяйства происходят изменения состава водных масс рек и водоемов под влиянием сточных вод, содержащих различные минеральные и ор­ ганические вещества, а также поступления загрязняющих веществ из атмосферы.

Задачи, поставленные перед гидрологией в связи с необходимостью научного обоснования рационального использования и охраны водных ресурсов от загрязнения, требуют дальнейшей разработки метопов оценки и расчета изменения качества воды в зависимости от поступле­ ния загрязняющих веществ, а также от гидрологических и гидродина­ мических условий.

Качество природных вод характеризуется совокупностью физичес­ ких, химических и биологических показателей, определяющих степень пригодности воды для конкретных видов водопользования и отвечаю­ щих требованиям охраны окружающей среда. Оно определяется соста­ вом и количеством растворенных и взвешенных в воде веществ, содер­ жанием биомассы и микроорганизмов, температурой и некоторыми другими физическими характеристиками. Соответственно этому оцен­ ка качества может производиться по физическим, химическим, бакте­ риологическим и гидробиологическим показателям.

Требования, предъявляемые к качеству природных вод различными отраслями народного хозяйства, бытовкм водопользованием, природо­ охранными мероприятиями, весьма разнообразны и нередко противо­ речивы. Поэтому большое значение имеет нормирование качества воды для различных водопотребителей. В настоящее время является обще­ принятым такой подход к нормированию, при котором устанавливают­ ся требования к качеству воды в водных объектах в местах водополь­ зования, а также в заповедных зонах.

Сбросы сточных вод в водотоки и водоемы создают большую неод­ нородность качества воды в них. Образуются зоны загрязнения, где нарушаются естественные гидрохимические и биологические процессы, а концентрация загрязняющих компонентов оказывается выше установленных норм по санитарным, рыбохозяйственным или другим по­ казателям. Грунты в зоне загрязнения обычно также оказываются за­ грязненными. Поскольку одни и ге же нодные объекты служат для во­ допользования и являются приемниками сгонных вод, то при проекти­ ровании сбросов загрязняющих вешеств, зон водопользования и водо­ снабжения необходимо надежно устанавливать обизсти распростране­ ния загрязненных вод, чтобы обеспечить необходимое качество воды в местах водопользования и не- допустить распространения загрязненных о вод в пределы заповедников.

Следует иметь в виду, что в настоящее время разработаны и утверж­ дены только санитарно-гигиенические и рыбохозяйственные нормати­ вы качества воды. Экологические и природоохранные нормативы пока не существуют —рассматриваются лишь возможные пути их создания. В соответствии с этим в настоящей монографии, имеющей определенную практическую направленность, оценка состояния загрязненности осу­ ществляется на основе действующих нормативов применительно к ус­ ловиям водопользования. Вопросы природоохраны рассматриваются в самом общем виде. Следует, однако, учитывать, что повсеместное соб­ людение упомянутых выше нормативов явилось бы весьма существен­ ным вкладом в оздоровление водных объектов и в весь комплекс природоохранных мероприятий.

Применяемый до настоящего времени способ оценки качества воды для различных видов водопользования основан на сопоставлений ре­ зультатов определения в отдельных точках водного объекта химическо­ го состава, физических свойств и бактериологических характеристик воды с соответствующими нормативными показателями ее качества.

Методика обобщения данных наблюдений применительно к створу, участку или к водному объекту в целом разработана авторами и изло­ жена в первом издании настоящей монографии /59/. К сожалению, она еще далеко недостаточно внедрена в водохозяйственную практику и в деятельность органов по наблюдению и контролю за уровнем загрязне­ ния водных объектов. Между тем потребность в показателях качества воды, дающих как пространственные, так и временные обобщения и позволяющих учитывать изменчивость загрязненности водных масс во времени и пространстве, ощущается весьма остро. Такие характеристи­ ки, как общий уровень загрязненности водного объекта, продолжитель­ ность и объем чистого и загрязненного речного стока, допустимая на­ грузка водного объекта теми или иными загрязняющими веществами, размеры зон загрязнения в реках, озерах и водохранилищах, накопле­ ние вредных веществ в водоемах и их вынос при разных значениях внешнего водообмена, нуждаются в учете на основе комплексного под­ хода при оценке состояния загрязненности водного объекта.

В течение последних лет в лаборатории наносов и качества вод ГГИ продолжались исследования по проблемам загрязнения и самоочище­ ния водных объектов. В этих исследованиях особое внимание упелялось учету гидрохимических, гидродинамических и гидрологических факторов. Исследования велись на основе изучения гидролого-гидродинамически.х процессов переноса веществ и процессов самоочищения при учете гидрохимического фона. В основу исследований был положен комплексный подход.

По мере завершения отдельных этапов указанных разработок ре­ зультаты публиковались в виде научных статей, докладов и пособий (практических рекомендаций), причем на определенном этапе была опубликована упоминавшаяся выше монография /59/. Основной целью поэтапной публикации была предварительная апробация предлагаемых способов оценки качества вод и расчетных методов инженерами-изыскателями и проектировщиками, научными работниками, занимающи­ мися проблемами использования и охраны вод. Как и в первом изда­ нии, значительное внимание уделено теоретическим аспектам оценки качества воды, усовершенствованным способам расчета размеров зон загрязнения, оценке обеспеченности интегральных показателей загряз­ ненности. Получение обобщенных характеристик состава сточных вод некоторых отраслей народного хозяйства и выделение для них репре­ зентативных показателей базируется на обработке и обобщении соот­ ветствующих литературных и фондовых материалов.

В разделах, посвященных методике расчета разбавления, наряду с детальными методами, требующими применения ЭВМ, даются упрощен­ ные способы. Некоторые из рассматриваемых методов включены в указания по применению правил охраны поверхностных вод от загряз­ нения сточными водами /60/. Упомянутые методы использованы при разработке специальных способов расчета, которые изложены в подго­ товленных в ГГИ "Рекомендациях по размещению и проектированию рассеивающих выпусков сточных вод’' (Москва, 1981).

В монографию включен новый большой раздел, посвященный расче­ ту предельно допустимых сбросов в реки и водоемы. Вновь рассмотрен вопрос об оценке вероятности превышения суточных расходов рек в многолетнем разрезе при оценке процессов самоочищения и расчетах допустимых сбросов загрязняющих веществ в водные объекты.

Рассмотрена задача о влиянии земляных работ на качество вод в водоемах и т. д.

–  –  –

1.1, Основные определения, баланс загрязняющих веществ Промышленные, бытовые, сельскохозяйственные сточные воды, сбра­ сываемые в водные объекты непосредственно, а во многих случаях и после очистки, вносят большие изменения в их гидрохимический и био­ логический режим, изменяя качество воды, нарушая нормальную жизне­ деятельность растительных и животных организмов. Такой процесс изменения состава и свойств природных вод в результате деятельности человека, приводящий к ухудшению качества воды для водопользова­ ния и нарушению биологических процессов, называют загрязнением вод. Нередко неудовлетворительное качество воды обусловливается природными процессами. В этом случае иногда употребляют термин ’’естественное загрязнение воды”.

Процессам загрязнения в реках и водоемах противостоит процесс са­ моочищения, под которым понимают совокупность гидродинамических, биохимических, химических и физических процессов, приводящих к уменьшению концентрации загрязняющих веществ, а при полном само­ очищении — к восстановлению естественного облика водного объекта.

Загрязнение и самоочищение водных масс рек, озер и водохранилищ являются взаимосвязанными процессами, протекающими под влия­ нием локальных факторов, действующих непосредственно в пределах рассматриваемой реки или водоема, и общих, действующих на водо­ сборе водного объекта. Эти факторы могут быть подразделены на при­ родные и антропогенные. В настоящей монографии основное внимание уделяется локальным антропогенным факторам, хотя затрагиваются и некоторые вопросы, относящиеся к факторам, действующим в пре­ делах всего водосбора и определяющим фоновые характеристики ка­ чества вод.

Целесообразно различать внешние и внутриводоемные факторы загрязнения и самоочищения водных объектов. К внешним факторам за­ грязнения следует отнести в первую очередь сбросы в водный объект сточных вод и поступление в него водных масс притоков или подзем­ ных вод, содержащих загрязняющие вещества в большой концентра­ ции, чем воды рассматриваемого объекта. Сюда же относятся случаи за­ грязнения воды из атмосферы и испарение с поверхности водоемов, приводящее к увеличению концентрации тех или иных лимитирующих веществ.

Внешним фактором самоочищения является поступление в реку или озеро менее загрязненных вод, чем воды этого объекта, или же совер­ шенно чистых вод притоков и атмосферных осадков.

При рассмотрении внутриводоемных факторов самоочищения и за­ грязнения надо учитывать гидрологический режим водных объектов, гидродинамические особенности формирующихся в них течений, опре­ деляющих перенос и диффузию загрязняющих веществ, осаждение и последующее взмучивание взвешенных веществ. Важную роль могут играть биологические процессы загрязнения, например эвтрофикация водоемов* Необходимо учитывать также химические процессы преоб­ разования веществ, их распад, синтез и т. д.

Многогранность процессов распространения загрязненных вод, само­ очищения и превращения загрязняющих веществ в водных объектах яв­ ляется причиной того, что до настоящего времени проблема формиро­ вания качества воды в реках и водоемах, испытывающих антропоген­ ное влияние, не решена достаточно полно. При рассмотрении динамики загрязнения и самоочищения в реках, озерах и водохранилищах в пер­ вую очередь обращается внимание на процесс разбавления как на один из существеннейших факторов снижения концентраций загрязняющих веществ в водной среде.

Конечный эффект разбавления в речном пото­ ке может быть определен на основании уравнения баланса вещества, составленного для потока в целом. Достаточно полное перемешивание вод потока со сточными водами осуществляется на значительном рас­ стоянии от места сброса сточных вод. Это расстояние находится на ос­ новании расчета разбавления (расчета турбулентной диффузии вещест­ ва) в потоке. Теоретически створ полного перемешивания в потоке оказывается на бесконечном расстоянии от места выпуска, поэтому принято говорить о створе достаточного перемешивания. Тем не менее, по традиции этот створ иногда называют створом полного перемешива­ ния. Предполагается, что в этом створе достигнута достаточная степень однородности водных масс, оцениваемая средним значением концент­ рации сбрасываемого в поток вещества. Отклонения от этого среднего в отдельных точках рассматриваемого створа небольшие, не превышаю­ щие точности измерений или расчетов.

Если поставить определенное условие о допустимой степени неодно­ родности водных масс в створе достаточного перемешивания в реке, то можно найти и вполне определенное расстояние до указанного ство­ ра от створа выпуска сточных вод. Степень неоднородности водных масс оценивается разностью между максимальным и средним значения­ ми концентрации в створе. Подробнее об этом будет сказано ниже.

Уравнение баланса консервативного вещества для водотока в целом принято записывать в виде

–  –  –

Эти уравнения действительны при условии, что расходы воды водо­ забора и сброса предприятия примерно равны, что в большинстве слу­ чаев и наблюдается.

В загрязненных водах, сбрасываемых в водные объекты, содержатся обычно как растворенные, так и взвешенные вещества. Вблизи от места сброса происходит накопление загрязняющего вещества не только в водных массах, но и в грунтах. Одним из наиболее важных факторов загрязнения грунта является выпадение из сточных вод взвешенных частиц, плотность которых превышает плотность воды, йзмеры зоны осаждения взвешенных загрязняющих частиц, а также количество за­ грязняющего вещества, осевшего в этой зоне, и его распределение на дне определяются количеством поступающих взвешенных веществ, раз­ мерами и плотностью загрязняющих частиц, гидрометеорологическими условиями. Если сброс осуществляется в водоем, то наиболее интенсив­ ное осаждение взвешенных частиц происходит в зимний период, т. е.

при отсутствии волнения и очень слабых течениях. При сбросе в реку осаждение оказывается наиболее интенсивным в меженный период, когда скорости течения в реке наименьшие.

В безледоставный период в мелководных зонах водоемов при нали­ чии ветра и волнения наблюдается ветро-волновое взмучивание осаж­ денных ранее частиц; при этом мутные воды, загрязненные вновь взве­ шиваемым осадком, переносятся течением, иногда на довольно боль­ шие расстояния. В реках взмыв и перенос осажденных ранее загрязняю­ щих веществ происходит наиболее интенсивно в периоды паводков.

Процессы взмучивания и переноса отложившихся на дне загрязняю­ щих веществ являются одним из существенных факторов вторичного загрязнения водных масс, вместе с тем этот процесс сопровождается самоочищением грунтов.

Остановимся теперь на оценке концентрации неконсервативного ве­ щества в створе достаточного перемешивания или в любом другом контрольном створе, находящемся на расстоянии х от створа сброса сточных вод. Потеря вещества в единице объема, т /е.

снижение его концентрации ds за счет процессов превращения веществ, в наиболее часто встречающемся случае реакций первого порядка выражается следущим приближенным соотношением:

ds = kHsdt, (1.5)

где t —время, с; — коэффициент неконсервативностивещества; его значение при распаде веществ отрицательное, при других процессах, нередко имеющих место в водных объектах, может происходить уве­ личение концентрации вещества, тогда кд оказывается положительным.

В настоящей монографии для коэффициента кн принята размерность 1/с, что соответствует используемой здесь системе СИ.

В формуле (1.5) фигурирует величина s, выражающая среднюю кон­ центрацию вещества в пределах некоторого контрольного участка по­ тока. Интегрирование уравнения (1.5) позволяет получить зависимость

s = s0exp(kHt ), (1.6)

где sQ —концентрация в момент начала отсчета времени t.

Коэффициент неконсервативности кн находится в следующем соот­ ношении с традиционным коэффициентом распада к (или коэффициен­ том скорости превращения), учитывающим распад химических соеди­ нений в реакциях первого порядка и выражаемым обычно в 1/сут:

kH= - l,1 6 * 10“ 5k. (1.7)

Здесь посредством численного коэффициента 1,16 10~5 осуществляется переход от 1/сут к 1/с. Численные значения к устанавливаются путем лабораторных экспериментов и даются химиками в виде положи­ тельных величин. Очевидно, что'использование в формулах баланса (1-5) и (1.6) традиционного коэффициента распада к требует введения знака минус (— перед коэффициентом. Например, уравнение (1.5) ) (с сохранением одной системы единиц для t и к) примет вид

–  –  –

Для общего случая эта запись неудобна, так как для описания внутриводоемных процессов, приводящих к увеличению количества ве­ щества, коэффициент к пришлось бы брать отрицательным.

Именно это и побудило авторов использовать здесь и в приводимых ниже урав­ нениях и формулах коэффициент неконсервагивности кн, получаемый из соотношения (1.7), Значение средней концентрации sR неконсервативного вещества в любом контрольном створе потока ниже места сброса сточных вод можно получить путем интегрирования уравнения (1.5), которое при­ менительно к данной задаче записывается так:

d?n = k KSndx/vcp (1Л°) где х — расстояние от места выпуска до контрольного створа; vcp — средняя скорость течения на контрольном участке реки.

Интегрирование производим при учете начальных условий в створе выпуска сточных вод, где х - 0, a sn определяется исходя из урав­ нения баланса. Например» используя формулу (1.2) и сохраняя для конечного створа те же обозначения расстояния х и концентрации sn, получим известную формулу

–  –  –

Бели суммарный расход в речном потоке, складывающийся из ес­ тественного расхода Qe и расхода сточных вод Q, обозначить через Q' т. е.

принять Qp = Qe + QC то формула (1.1 Г) записывается сле­ T, дующим образом:

–  –  –

Здесь в показателе степени произведена замена W = ожу где со —средняя площадь поперечного сечения потока на участке от х = 0 до х. Очевидно, что W = (V v cpНетрудно заметать, что формула (1.11) является весьма прибли­ женной. При ее выводе уже для начального створа принимается равно­ мерное распределение вещества по ширине реки. Очевидно, что в зонах повышенной концентрации интенсивность процесса распада должна отличаться от таковой в зонах малой концентрации. Уточненное реше­ ние о потерях вещества за счет распада можно получить путем приме­ нения уравнений (1.5) или (1.10) к отдельным участкам загрязненных струй. Эта задача рассматривается ниже.

Учитывая приближенность решения, можно вывести формулу для sn неконсервативного вещества другим, более грубым, способом, поз­ воляющим получить следующий вид зависимости:

(1.13) Заметим, что выражение (1.13) можно получить непосредственно из (1.11) путем разложения в ряд экспоненты и последующего сохране­ ния только первых двух членов разложения.

Формулы (1.11) и (1.13) дают расхождение лишь на больших рас­ стояниях при очень больших абсолютных значениях коэффициента неконсервативности кд. В этих случаях предпочтение должно отдаваться формуле (1.11).

1.2. Факторы, определяющие процесс разбавлениясточных вод

Разбавление сточных вод в водотоках и водоемах определяется комп­ лексным влиянием следующих факторов:

а) гидрологические и гидродинамические особенности водоемов и водотоков, в которые производится сброс сточных вод;

б) конструктивные и технологические особенности выпуска сточ­ ных вод.

К первой группе следует отнести переносное движение и турбулент­ ность водных масс с обусловливающими их причинами, такими, как сток воды, ветер, морфометрические характеристики русла водотока или ложа водоема, шероховатость. К этой же группе относятся свойства водной среды и состав содержащихся в ней веществ. Существенная роль в первой группе факторов принадлежит поперечным течениям, расширяющим области распространения сточных вод и способствую­ щим усилению перемешивания водных масс в потоках и водоемах. В водоемах появляются и дополнительные факторы турбулизации —вол­ нение и ветровые течения, возникающие при наличии ветра надводной поверхностью. Обычно в водоемах ветровые течения преобладают. На фоне стоковых течений и при их отсутствии в водоемах под воздейст­ вием ветра развиваются дрейфовые, градиентные и смешанные течения.

Если ветровые течения развиваются на фоне стоковых транзитных тече­ ний, то возникают стоково^етровые течения.

Особый характер имеют течения прибрежной мелководной зоны.

Здесь при наличии ветра и волнения образуются вдольбереговые тече­ ния, обладающие иногда очень большими скоростями (до 2 м /с ). У мысов эти течения могут отрываться от берега, образуя разрывные течения.

Для ветровых течений характерна изменчивость направления и ско­ рости, связанная с изменчивостью ветровых характеристик. Последнее способствует и изменчивости турбулентности в водоемах.

Вторая группа включает такие факторы, как расположение в потоке выпускного сооружения, число, форма н размеры выпускных отвер­ стий, расход и относительная скорость истечения сточных вод, физи­ ческие свойства, концентрация загрязняющих ингредиентов. В зависи­ мости от конструкции распределительной части выпуски делятся на сосредоточенные и рассеивающие. Для последних характерно увеличе­ ние длины фронта распространения загрязненных вод. Можно считать установленным, что при достаточных скоростях течения в водотоке или водоеме разбавление протекает более интенсивно в случае сброса сточ­ ных вод через рассеивающие выпуски; расстояние от створа с заданной степенью перемешивания в этом случае оказывается меньшим, чем при сосредоточенном выпуске. Очевидно также, что разбавление зависит от характера сбрасываемых веществ, их количественных соотношений.

Так, сточные воды многих отраслей промышленности содержат специ­ фические вещества, обладающие значительной токсичностью, требую­ щие очень высокой кратности разбавления для обезвреживания. К та­ ким отраслям следует отнести черную и цветную металлургию, хими­ ческую, целлюлозно-бумажную, нефте- и углеперерабатывающую, слан­ цевую промышленность.

Большого внимания также требуют хозяйственно-бытовые сточные воды, количество которых возрастает по мере роста населения и урба­ низации. Малоизученной и весьма актуальной является проблема сель­ скохозяйственного загрязнения вод; в настоящей монографии она затронута лишь частично.

13. Формирование зон загрязнения и влияния.

Изменение зон загрязнения во времени и пространстве Характер и интенсивность воздействия сточных вод на водные массы реки или водоема неодинаковы на различном удалении от места сбро­ са. Область потока и водоема, находящуюся под воздействием сточных вод, принято подразделять на две зоны: зону загрязнения и зону влия­ ния.

Зоной загрязнения называется зона, где в связи с поступлением за­ грязняющих веществ нарушаются естественные биохимические про­ цессы и где концентрация загрязняющих веществ по санитарным, рыбо­ хозяйственным или другим показателям, отвечающим данному виду водопользования, превышает установленные нормы.

Зоной влияния называется область потока или водоема, в которую попадают сточные воды из зоны загрязнения или непосредственно из источника загрязнения, но их проникновение не вызывает нарушения естественного хода биохимических процессов; концентрация загряз­ няющих веществ в этой зоне в среднем (во времени) не превышает нормы.

Зоны загрязнения и влияния формируются постепенно, начиная с момента ввода в действие сбросных сооружений. В речных потоках процесс становления зон загрязнения и влияния может происходить быстро, в водоемах же более медленно. В крупных водоемах увеличе­ ние размеров зон загрязнения и влияния в ряде случаев наблюдается только в первое время (месяцы, годы), а затем они стабилизируются и в среднем приобретают более или менее постоянные размеры. В зави­ симости от режима речного потока или водоема, от метеорологическо­ го режима над акваторией водоема зона загрязнения может оказаться устойчивой во времени и в пространстве или же будет менять свои раз­ меры и перемещаться на определенном участке водоема в районе сбро­ са. В связи со сказанным целесообразно различать формирующиеся зо­ ны загрязнения (влияния), а также выделять устойчивые и неустой­ чивые зоны.

Устойчивые зоны загрязнения, как правилоэ образуются от постоян­ ных и интенсивных сбросов сточных вод на участках рек или водоемов с устойчивыми и однонаправленными течениями и особенно в местах отсутствия или крайне слабых течений.

В районе сброса сточных вод за счет осаждения содержащихся в них взвешенных веществ, сорбции растворенных веществ, инфильтрации в грунт из растворов образуется зона загрязнения донных отложений.

Осаждение взвешенных частиц, принесенных сточными водами, на участке дна водоема происходит наиболее интенсивно в периоды отсут­ ствия течений или при сравнительно слабых течениях. Загрязненные грунты в определенных условиях могут служить источником вторично­ го загрязнения водных масс. В водоемах, например, это происходит, когда под воздействием ветра возникают течения и ветровые волны, обусловливающие взмучивание загрязненного осадка. В реках этот процесс может иметь место во время половодья и паводков. Опреде­ ленную роль в процессах вторичного загрязнения играют физико-хими­ ческие факторы, в частности сорбционно-десорбционные процессы.

1.4. Сведения о системе интегральных показателейкачества воды

Наиболее распространенный в настоящее время подход к характеристи­ ке качества воды основывается на сопоставлении с соответствующими нормативными показателями результатов определения химического состава, физических свойств, бактериологических характеристик воды и т. Д. в отдельных точках водного объекта. Методика обобщения дан­ ных наблюдений применительно к створу, участку водотока или во­ доема и к водному объекту в делом до недавнего времени оставалась неразработанной. Между тем имеется практическая необходимость в показателях качества воды, дающих кйк пространственные, так и вре­ менные обобщения и позволяю щ их учитывать изменчивость загрязнен­ ности воды во времени и пространстве. Указанная изменчивость может быть обусловлена как особенностями гидрологического режима водно­ го объекта, естественными условиями поступления в природные воды различных веществ, так и изменчивостью сброса сточных вод (их рас­ хода и концентрации загрязняющих веществ).

В результате исследований, выполненных в лабораториях наносов и качества вод ГГИ, как указывалось выше, разработана система ин­ тегральных показателей, позволяющих характеризовать качество вод­ ных масс в отдельных створах и на участках водных объектов, а также учитывать изменения качества воды во времени и пространстве. Новая система показателей не заменяет прежнего способа оценки качества вощ*, а существенно дополняет его. Вся система детально рассмотрена ниже (см. раздел 7), где даны также и рекомендации по вычислению показателей. Здесь даются лишь общие сведения о системе этих пока­ зателей.

Система интегральных гидролого-гидродинамических показателей качества воды подразделяется на три основные группы:

1. Показатели общей нагрузки речного потока, оценивающие нагруз­ ку потока лимитирующими или репрезентативными веществами ло их средней концентрации в поперечном сечении потока и учитывающие ее изменчивость, обусловленную изменениями гидролого-гидродинамичес­ ких элементов потока (расхода воды, скоростей течения, глубин и т. д.) и особенностями режима поступления указанных веществ в водоток.

Они учитывают естественное поступление веществ с поверхностными или грунтовыми водами, включая смыв с полей, а также поступление сбрасываемых в водотоки сточных вод промышленных предприятий, городов, сельскохозяйственных ферм и т. д.

2. Показатели пространственного распределения загрязнения в реках и водоемах, позволяющие оценить по относительному объему долю за­ грязненных вод в водном объекте или по относительным линейным и двумерным характеристикам относительную площадь и длину форми­ рующейся в месте сброса сточных вод зоны загрязнения.

3. Показатели, учитывающие внешний водообмен водоемов (озер, водохранилищ и прудов), количественно характеризующие процесс по­ степенного накопления загрязняющих веществ в водоеме и повышения средней концентрации этих веществ в его водных массах. Они позво­ ляют оценить потенциальную емкость водоема в отношении загрязняю­ щих веществ на разные отрезки времени, а также характеризовать про­ цесс постепенного снижения концентрации загрязняющих веществ пос­ ле прекращения сброса сточных вод в водоем или в его притоки.

Первые две группы показателей могут быть увязаны с вероятност­ ными характеристиками режима водотока или водоема и сброса сточ­ ных вод, что позволяет оценить повторяемость или обеспеченность оп­ ределенного уровня загрязненности, характеризуемого тем или иным интегральным показателем.

Репрезентативность веществ в сбрасываемых сточных водах устанав­ ливается путем сравнения химического состава сточных вод однотип­ ных промышленных предприятий, бытовых и сельскохозяйственных сбросов. Таким же образом могут быгь установлены репрезентативные биохимические, физические и микробиологические характеристики сточных вод.

Репрезентативные гидрохимические ингредиенты (показатели сос­ тава) выбираются таким образом, чтобы они одновременно удовлетво­ ряли следующим трем или по крайней мере двум критериям:

1) специфичность состава сбрасываемых сточных вод, преобладаю­ щих в общем объеме сброса, 2) максимальное превышение над ПДК (в относительных мерах), 3) наименьшая скорость трансформации.

Показатели первой группы требуют особого внимания, поскольку могут использоваться не только для характеристики водных масс рек ниже сброса сточных вод, но и для оценки качества воды или изменчи­ вости качества воды, обусловленной естественными процессами в реч­ ном бассейне или фоновым антропогенным воздействием на поверх­ ностные воды всего речного бассейна или его части.

Соответственно сказанному первая группа показателей —показатели общей нагрузки речного потока лимитирующими-веществами —может быть подразделена на две подгруппы: а) показатели средней загрязнен­ ности и общей нагрузки потока лимитирующими или репрезентативны­ ми веществами, б) показатели фоновой нагрузки потока лимитирую­ щими или репрезентативными веществами.

Интегральными гидрологическими показателями фон?вой нагрузки потока можно характеризовать степень загрязненности или качество водных масс речного потока, гидрохимический режим которого, как сказано выше, не нарушен хозяйственной деятельностью или, если он нарушен, это нарушение не связано с локальными крупными сбросами сточных вод, а обусловлено многочисленными мелкими притоками загрязненных вод3 впадавшими на протяжении значительных участков береговой лилии водотока и не поддающимися учет)'. Эти показатели Применимы также и в случае искусственного нарушения гидрохимичес­ кого режима в пределах всего бассейна реки путем повсеместного при­ менения удобрений, пестицидов и т. д., а также орошения или мелиора­ ции значительных площадей бассейна.

Интегральные гидрологические показатели фоновой нагрузки пото­ ка устанавливаются на основании данных натурных гидрохимических измерений, проводимых по расширенной программе, позволяющей до­ статочно полно характеризовать хронологический ход изменения кон­ центрации различных ингредиентов и выявить репрезентативные для данного потока вещества, среди которых могут быть и лимитирующие в. отношении тех или иных видов водопользования. Параллельно с гид­ рохимическими наблюдениями должны проводиться гидрологические работы в том же створе или же на другом, но достаточно близко распо­ ложенном, чтобы получаемые данные можно было распространить на створ гидрохимических измерений.

Целесообразно ввести показатель истинного и условного фона. Ис­ тинный фон речного потока характеризуется концентрацией вещества в створах, выше которых нет организованных выпусков сточных вод в реку. Он отражает истинное состояние вод речного потока, качество которых формируется под влиянием как природных факторов, так и хозяйственной деятельности человека в пределах речного бассейна. Ус­ ловный фон характеризуется концентрациями веществ в створе, на­ ходящемся выше расчетного выпуска сточных вод, но ниже других выпусков, не учитываемых в схеме расчета.

1.5. Гидрохимические и физические показатели качества воды; репрезентативные и лимитирующие показатели Качество воды в основном определяется составом и количеством раст­ воренных и взвешенных веществ, биомассы и микроорганизмов. Соот­ ветственно этому оценка качества воды может производиться по фи­ зическим, химическим, бактериологическим и гидробиологическим показателям.

Требования, предъявляемые к качеству воды разными отраслями народного хозяйства, различны, поэтому большое значение имеет нор­ мирование качества воды для различных водопотребителей. К настоя­ щему времени общесоюзные нормативы состава и свойств воды, как указывалось выше, разработаны и официально утверждены лишь в от­ ношении водных объектов санитарно-бытового и рыбохозяйственного значения.

Общие требования к качеству воды, используемой для этих целей, базируются на следующих показателях физического состояния, хими­ ческого и бактериологического состава воды: температура, взвешенные вещества, минерализация (сухой остаток), хлориды, сульфаты, раство­ ренный кислород, pH, БПК, в о зб у д и т е л и заболеваний, ядовитые ве­ щества.

Кроме того, для суждения о качестве воды по содержанию в ней вредных химических веществ необходимо использовать установленные примерно для 650 химических соединений предельно допустимые кон­ центрации (ПДК). Списки утвержденных ПДК лимитируемых веществ в воде водных объектов публикуются как приложения к ’Правилам охраны поверхностных вод от загрязнения сточными водами” /63, 66/ и периодически обновляются и дополняются. Основное требование к качеству воды может быть представлено в виде

s^n m q, (1.15)

где — концентрация лимитирующего вещества; ПДК- — предельно допустимая концентрация того же вещества.

При использовании списков ПДК следует иметь в виду, что все при­ веденные в них вещества подразделены на три группы по лимитирую­ щему показателю вредности (ЛПВ) соответственно характеру их воз­ действия на организм человека и внутриводоемные биологические процессы. Различают общесанитарный, санитарно-токсикологический, органолептический; особо рассматривается рыбохозяйственный пока­ затель вредности. Принадлежность того или иного химического сое­ динения к определенной группе по ЛПВ необходимо учитывать для соблюдения требования п. 21 ’Правил об оценке качества воды”, ис­ ходя из суммарного содержания всех веществ одного и того же ЛПВ.

Это требование записывается в следующем виде:

т si (1.16) где s- — концентрация одного вещества, принадлежащего к рассматри­ ваемой группе ЛПВ; ПДК| —предельно допустимая концентрация того же вещества; ш — общее количество веществ данной группы ЛПВ, находящихся в воде исследуемо голодного объекта.

В работе /35/ предлагается использовать некоторый обобщенный показатель вредности вод данного состава R. Формула для этого пока­ зателя выведена на основании соотношения (1.16). Показатель R удоб­ но использовать при решении различных практических задач, особенно задач о предельно допустимых сбросах сточных вод в водные объекты.

Характерной особенностью показателя R является то, что его значение зависит лишь от химического состава вод и не зависит от степени их разбавления.

Показатель R выражается формулой ще m — число учитываемых веществ одного ЛПВ. Величины, содержа­ щиеся под знаком суммы, представляют собой относительные значе­ ния концентрации i-ro вещества и его ПДК, т. е.

–  –  –

здесь S — суммарная концентрация в воде всех учитываемых веществ одного ЛПВ; ГЙДК|т — суммарное значение ПДК этих веществ, имен­ но:

m,

–  –  –

Легко заметить, что при разбавлении чистой водой раствора значе­ ния а ^ не изменяются; остальные величины, содержащиеся в формуле (1.17), остаются постоянными. Таким образом, как отмечено выше, R не зависит от степени разбавления раствора чистой водой. Показа­ тель R, вычисленный для сточных вод, сохраняет свое значение и для зоны загрязнения, если в водах реки не содержится тех веществ, кото­ рые учтены при определении R и если эти вещества являются консерва­ тивными или их неконсервативность проявляется в слабой степени.

Химический состав воды характеризуется большим числом ингре­ диентов (показателей), определяющих качество воды применительно к рассматриваемому виду водопользования.

Чрезвычайно разнообразный состав сточных вод различных отраслей промышленности и процессы трансформации химических соединений в сильной степени затрудняют получение полной и надежной информа­ ции о загрязнении водных объектов.

В связи с этим большое значение При использовании имеющихся гидрохимических данных приобретает выбор ингредиентов (гидрохимических показателей), с помощью ко­ торых можно получить достаточно объективную характеристику ка­ чества воды и ее изменения. Указанный выбор должен исходить из представления о репрезентативных и лимитирующих химических ве­ ществах.

К лимитирующим веществам следует относить вещества, по содер­ жанию которых нормируется качество воды водных объектов в зави­ симости от вида водопотребления.

В связи с большим разнообразием состава и свойств сточных вод, сбрасываемых в водные объекты, как сказано выше, возникает необхо­ димость в выделении ограниченного числа наиболее показательных (репрезентативных) ингредиентов, с помощью которых можно просле­ живать влияние данного вида сточных вод на качество природных вод.

При выборе репрезентативных показателей необходимо учитывать осо­ бенности гидрохимического фона объекта. Более подробно вопросы выделения лимитирующих и репрезентативных показателей (ингре­ диентов) рассматриваются в разделе 8.

1.6. Фоновые характеристики качества воды

Под фоновыми характеристиками качества воды следует понимать ха­ рактеристики, определяемые общими условиями формирования ка­ чества воды, присущими рассматриваемому водотоку и его водосбор­ ному бассейну.

Однако в зависимости от решаемой конкретной задачи и специфи­ ческих условий в речном бассейне гидрохимический фон водотока мо­ жет быть представлен различным образом.

Целесообразно различать следующие виды фоновых характеристик водного объекта:

а) естественный фон, отражающий качество водных масс речного по­ тока, гидрохимический режим которого выше рассматриваемого ство­ ра не нарушен деятельностью человека;

б) измененный фон, характеризующий измененные деятельностью человека условия формирования качества вод в пределах всего или части речного бассейна (мелиорация земель, массовое применение хи­ мических удобрений, пестицидов, переброска стока и т. д.) или же отражающий воздействия многочисленных неорганизованных сбросов сточных вод, находящихся выше рассматриваемого створа;

в) условный фон, отражающий влияние на гидрохимический режим потока всех видов антропогенного воздействия, в том числе и органи­ зованных сбросов сточных вод, находящихся выше расчетного створа, но не учитываемых специально в рассматриваемой конкретной задаче.

Оценка фоновой нагрузки речного потока лимитирующими или реп­ резентативными веществами должна предшествовать характеристике влияния конкретных локальных источников загрязнения на качество речных вод.

Фоновая нагрузка потока определяется в зависимости от поставлен­ ной задачи по наблюдениям в створах, расположенных на разных рас­ стояниях от рассматриваемого створа.

Если мутность водных масс речных потоков, формирующуюся в ре­ зультате эрозионных процессов на водотоке, в русле и на пойме реки, рассматривать как одну из характеристик качества воды, то говоря о фоновой мутности* следует различать указанные выше три фоновых состояния, два из которых обусловлены антропогенным влиянием.

Однако прежде чем судить об антропогенном влиянии на мутность вод­ ных масс речных потоков, необходимо рассмотреть бытовые характе­ ристики мутности и ее изменчивость,

1.7. Мутность как одна из характеристик качества воды;

соображения о допустимом антропогенном ее изменении Действующие "Правила охраны поверхностных вод от загрязнения сточными водами” содержат рекомендации о допустимых изменениях мутности водных масс за счет вносимых сточными водами взвешенных веществ техногенного происхождения. Эти рекомендации не могут быть отнесены к естественным наносам, транспортируемым речными потоками и формирующим их ложе.

Ставя задачу оценки качества воды речного потока по значениям мутности, необходимо учитывать пространственное распределение сред­ ней многолетней мутности рек по территории нашей страны, а также внутригодовую изменчивость мутности и возможные ее суточные ко­ лебания. В монографии /83/ приведены карты средней мутности для территории Советского Союза и для отдельных крупных регионов.

Средняя мутность изменяется по территории от значений, меньших 10 г/м3 на Северо-Западе Союза, до значений, превышающих 5 0 0 0 г/м3 в горных районах Кавказа и Средней А зии. Для одной и той же реки средняя годовая мутность может меняться в достаточно больших пределах и отличаться от нормы почти в 10-20 раз. Значения мутности в течение года часто могут изменяться в 100 раз и более. На малых равнинных, малых и средних горных реках обычно наблюдаются суточные изменения мутности. Так, на горных реках максимальная мутность может превышать минимальную за сутки в 100— 400 раз, а на равнинных до 20 раз (см. ’’Ресурсы поверхностных вод” и /83/).

Регламентирование сброса сточных вод, содержащих те же взвешен­ ные вещества, которые транспортируются реками в естественном сос­ тоянии, может основываться только на сопоставлении мутности сбра­ сываемых вод с фоновой мутностью речного потока Следует особо подчеркнуть, что такая мерка непригодна для оценки сброса взвесей техногенного происхождения.

Данная выше беглая характеристика изменчивости мутности речных потоков показывает, что назначение фоновых характеристик мутности является непростой задачей и что такая задача не всегда может решать­ ся однозначно. Остановимся на некоторых соображениях об установ­ лении фоновых значений мутности и одновременно на подходе к зада^ че о допустимых сбросах минеральных естественных взвешенных нано сов в речные потоки.

Вообше под фоновой мутностью речного п о то к а следует понимать естественную мутность* определяемую условиями формирования стока взвешенных наносов в пределах речного бассейна, ее долины и русла, естественных процессов транспорта и переотложения наносов в реках.

Изменчивость во времени условий формирования, взаимопроникнове­ ние и взаимодействие указанных процессов обусловливают болыпуюизменчивость мутности водных масс во времени и пространстве. Поэтому было бы неправильным рассматривать в качестве фоновой конкретное измеренное в определенный момент времени значение мутности. Возни­ кает необходимость в использовании достаточно общего показателя мутности. Представляется наиболее целесообразным считать фоновыми для заданного створа значения мутности, средние за рассматриваемую фазу гидрологического режима (половодье, дождевые паводки, зимняя и летнеосенняя межень). Для рек, на которых измеряются мутности и расходы воды, значения мутности, средние для различных фаз гидроло­ гического режима, определяются по помещаемым в справочнике ОГХ данным о стоке воды и наносов за отдельные фазы режима. Мутность вычисляется как частное от деления стока наносов на сток воды.

Если на реке не проводились наблюдения за наносами, фоновые кон­ центрации для различных фаз гидрологического режима определяются по реке-аналогу, находящейся в той же зоне мутности, что и рассматри­ ваемая река.

Для решения задач о нормировании сбросов взвешенных веществ того же минерального состава, что и естественные наносы, до настояще­ го времени таких нормативов не имеется. При решении згой задачи, можно,по-видимому, основываться на способе, учитывающем точность измерения мутности используемыми в настоящее время методами. По­ грешность измерения мутности составляет 10— % измеренного зна­ чения /83/. Как отмечалось выше, естественные изменения мутности, обусловленные сезонными изменениями стока и других гидрологичес­ ких характеристик рек, могут быть очень значительными. Поэтому отклонения актуальных значений мутности на 10-25 %от характерных для данного момента значений нельзя считать заметным нарушением режима транспорта наносов реки. Такие отклонения не могут быть за­ фиксированы существующими способами измерения.

Последнее сле­ дует учитывать при организации службы контроля. Лишь отклонения превышающие 25— % могли бы быть обнаружены. Исходя из сказан­ 30, ного, допустимым превышением мутности над фоном можно считать отклоненния до 10— % от фоновой мутности. При этом для малых значений мутности допустимые превышения, по-видимому, должны соответствовать нижнему пределу диапазона погрешности измерения, т. е. 10 % для больших — верхнему, т. е. 25 %. Общие требования к, составу сточных вод, содержащих также взвешенные вещества, кото­ рые не отличаются от естественных в водном о^ъект^, приведены в табл. 1.1.

Пользуясь таблицей, следует установить» в какой диапазон измене­ ния мутности (графа 2) попадает се фоновое значение, а затем в соотI & <

–  –  –

2 ГИДРОЛОГИЧЕСКИЕ И ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ

ХАРАКТЕРИСТИКИ РЕК И ВОДОЕМОВ,

ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ПРИ ПЛАНИРОВАНИИ

ВОДООХРАННЫХ МЕРОПРИЯТИЙ

2.1. Типизация водных объектов по особенностям гидрологического и гидродинамического режимов

–  –  –

При разработке типизации ставилась задача получения общей качествен­ ной характеристики одного, нескольких или всех водных объектов то­ го или иного хозяйственного района для оценки степени обеспечения промышленности и населенных пунктов этого района приемниками сточных вод. От особенностей водных объектов, принимающих сточные воды, зависят условия разбавления и распространения последних в каждом конкретном случае. Решающую роль при этом играет не только водный режим и гидравлика водных объектов, но и морфометрия их русла или ложа.

В 1969 г. в ГГИ /42/ была предложена примерная схема типизации водотоков и водоемов по характеристикам, определяющим условия пе­ ремешивания в них. В дальнейшем типизация была усовершенствована и изложена в первом издании настоящей монографии. Здесь типизация рек дается с существенными изменениями и дополнениями. Типизация базируется на средних характеристиках водных объектов. Все водные о б ъ е к т подразделены на водотоки, имеющие нормальный режим стока (реки, ручьи), и водоемы (озера и водохранилища)»характеризую­ щиеся замедленным стоком или отсутствием последнего. Как водото­ ки, так и водоемы по характерным признакам, определяющим условия переноса загрязненных вод и турбулентного перемешивания, подразде­ ляются на типы и группы.

При разделении рек и водоемов на типы и группы использовались факторы, определяющие условия перемешивания в рассматриваемых водных объектах. Кроме того, в типизации учтены дополнительные факторы, характеризующие особенности гидрологического и гидроди­ намического режимов объектов и позволяющие рассматривать условия в реке и водоеме применительно к оценке качества воды.

2.1.2. Типизация рек

Типизация водотоков по условиям перемешивания и переноса загряз* няющих веществ в них должна учитывать, что эти процессы зависят от скорости течения, шероховатости русла, расхода воды в водотоке.

Основные типы — горные реки, реки предгорий и равнинные — вы­ деляются по значению среднего продольного уклона водотока до замыкающего створа (табл. 2.1, графа 8). От расхода водотока в значитель­ ной мере зависит количество загрязняющих веществ, которое он может принимать, оставаясь пригодным для того или иного вида водопользо­ вания. Характерные средние годовые расходы воды приведены в табл. 2.1 (графа 5).

Расход потока, так же как его годовой сток, в типизации принимает­ ся как основная характеристика для разделения водотоков на группы (табл. 2.1, графа 2). Равнинные реки делятся на четыре группы (боль­ шие, средние, малые и ручьи), горные реки — на средние, малые и ру­ чьи. В предгорьях рассматривают только средние реки. Одна и та же ре­ ка может быть отнесена к той или иной группе в зависимости от того, на каком участке она рассматривается, какой створ считается замыкаю­ щим для определения среднего годового расхода воды за многолетний период. Например, горная река Бзыбь выше впадения р. Решавя яв­ ляется малой, так как ее средний годовой расход за многолетие на этом участке равен 24,4 м3/с. Эта же река относится к группе средних рек, если замыкающим створом считать с. Джирхва, где ее средний го­ довой расход околО 100 м3/с.

Дополнительной характеристикой для разделения рек на группы служит значение площади водосбора водотока (табл. 2 3 ). Классифи­ кация рек по площадям водосборов производилась в соответствии с рекомендациями П. С. Кузина /47/. Однако, поскольку за основу взяты расходы воды, границы значений площадей выделенных групп водото­ ков отличаются от принятых Кузиным.

Типам и группам приписан определенный индекс, который может использоваться для сокращенной записи при картографировании. Ин­ декс состоит из арабской цифры, обозначающей тип, буквы р —река и буквы, обозначающей группу (б, с, м, р — большие, средние, малые реки, ручьи).

Одним из важных гидравлических параметров водотоков является коэффициент Шези С. Меньшим его значениям соответствует более интенсивное турбулентное перемешивание, при больших значениях перемешивание (при прочих равных условиях) оказывается менее ин­ тенсивным. Характерные значения С указываются в табл. 2.1 (графа 7).

При постоянстве характеристик сточных вод изменчивость концен­ трации загрязняющих веществ в потоке обусловливается изменениями гидролого-гидродинамических элементов, в частности изменениями расходов воды.

я и &.

С н о к о n s| а B a && I

- в * S* L X J, |й Р* о 1 и И В« й О с Уравнение

–  –  –

–  –  –

В типизации учитывается изменчивость расходов воды на основе оценки их обеспеченности. Для всех типов и групп рек построены осредненные кривые вероятности превышения (обеспеченности) сред­ них суточных расходов воды по данным многолетних наблюдений на реках различных районов Советского Союза. Путем линеаризации осредненных кривых обеспеченности и с использованием метода наи­ меньших квадратических отклонений получены аналитические уравне­ ния кривых для всех типов рек. Указанные уравнения приведены в табл. 2.1, графа 9. Зная средний годовой расход за многолетний период Q0 (м3/с) реки определенного типа и группы, по этим уравнениям можно определить средний суточный расход Q (м3/с) заданной обеспе­ ченности т. Здесь т — относительная величина, доля общей продолжи­ тельности времени, описываемой кривой вероятности превышения (т. е. одного года).

^ t /Т год. (2-1) где Т — продолжительность года в принятых в расчете единицах вре­ мени (сутки, секунды и т. д.) ; t —время в тех же единицах.

Аналитические уравнения осредненных типовых кривых распреде­ ления установлены для области вероятности превышения от 5 до 95 %.

Значения числовых коэффициентов уравнений а, Ь, с, г для различных групп рек приводятся в табл. 2.2. Учет изменчивости расходов воды позволяет оценить возможность сброса загрязненного стока при различ­ ных гидрологических ситуациях, для отдельных фаз гидрологического режима, а также решить задачу об использовании аккумулирующих ем­ костей при регулируемых сбросах загрязняющих веществ в реки.

Предложенная типизация рек может использоваться для решения различных водохозяйственных и водоохранных задач на стадии проек­ тирования.

2.1.3. Типизация водоемов

Типизация водоемов учитывает внешний и внутренний водообмен.

Внешний водообмен характеризуется проточностью водоема, внутрен­ ний — интенсивностью переноса водных масс, турбулентностью и кон­ вективными процессами, которые связаны с размерами водоема (пло­ щадью зеркала, глубиной).

В основу разделения водоемов на типы и группы положены факто­ ры, характеризующие внешний и внутренний водообмен: проточность, глубина, площадь водной поверхности. Всего выделены четыре типа (табл. 2.4, графа 1). Каждый тип разделен на четыре группы в зависи­ мости от площади водной поверхности (графа 2). Разделение водоемов на группы производится в соответствии с табл. 2.5.

Типам и группам приписан определенный индекс, который исполь­ зуется для сокращенной записи при картографировании. Индекс сос­ тоит из арабской цифры, обозначающей тип, буквы в — водоем и бук­ вы, обозначающей группу (к, б, с, м, т. е. крупнейшие, большие сред­ ние, малые).

В типизации использована характеристика внешнего водообмена (условное время внешнего водообмена), определяемая зависимостью

T y c n = W 0 3 / Q B ( 2 -2 )

где W — объем воды в водоеме при среднем многолетнем уровне, м ; QB — средний многолетний годовой сток воды, вытекающей из озера или водохранилища, м3/год.

Условное время водообмена Тусл, выражаемое в годах, используется в типизации как показатель времени пребывания загрязняющего ве­ щества в водоеме или соответственно как показатель времени форми­ рования качества воды в водоеме; он указывает среднее время дейст­ вия внутриводоемных (специфических для данного водоема) процес­ сов (табл. 2.4, графа 4).

Существенным показателем процесса формирования качества воды в водоеме является относительная продолжительность ледостава глдст ” ^лдст^год’ (2.3) где Я 0 С Т — продолжительность периода ледостава в днях; ТГОД —число дней в году.

Во время ледостава в водоеме создаются условия, благоприятствую­ щие накоплению загрязняющего вещества в местах их сброса, так как в этот период отсутствуют ветровые течения и волнение и соответствен­ но ветро-волновое перемешивание. Наличие ледяного покрова затруд­ няет аэрацию водных масс, что в ряде случаев приводит к ухудшению качества воды, а в мелководных слабопроточных водоемах — даже к анаэробным процессам.

Относительная продолжительность ледостава приведена в типизации (графа 6).

Типизация рек и водоемов областей и крупных хозяйственных райо­ нов по предлагаемой схеме позволит предварительно оценить водные объекты района с точки зрения возможного их использования как приемников сточных вод без нарушения норм качества воды для суще­ ствующего и перспективного водопользования. Такая оценка должна способствовать более рациональному планированию развития народно­ го хозяйства региона.

–  –  –

2.2. Исходные данные для расчета разбавления и осаждения веществ в реках 2.2.1. Замечания о назначении расчетного расхода воды и типовые кривые вероятности превышения При расчетах процессов самоочищения и, в частности, турбулентного перемешивания в реках прежде всего следует назначить расчетные рас­ ходы воды. В настоящее время в качестве основного расчетного расхо­ да принимают расход 95 %-ной обеспеченности. При наличии наблюде­ ний можно принять в расчет минимальный из наблюденных расходов.

Для определения расхода 95 %-ной обеспеченности по кривым вероят­ ности превышения средних суточных расходов воды за многолетний период для каждой группы рек получены зависимости Q95 ^ от Последний соответствует значению среднего суточного расхода продол­ жительностью 180 дней и приводится в одной из таблиц справочника ОГХ. Линии связи Q^5 ^ = f (Q49 строились с применением метода наименьших квадратов.

"Полученные зависимости Q95 ^ от Q4g ^ для всех групп рек удовлетворяют условию о наименьшей сумме квадра­ тов отклонений Q95 вычисленных по формуле, от наблюденных зна­ чений:

^95 % ~ к Т ^49 % где k j —числовой коэффициент.

Значения коэффициента k j для каждой группы рек помещены в табл. 2.6. Пример зависимости Q95 ^ от Q49 ^ для средних равнинных рек приводится на рис. 2.1.

В зависимости от поставленной задачи назначаются также и другие расчетные расходы, вплоть до расхода малой обеспеченности идаже максимального. Решение таких задач может выполняться на основе типовых или характерных хронологических графиков расходов воды, построенных для данной реки или обобщенных для рек данного типа.

Практически более удобным является использование кривых вероят­ ности превышения (обеспеченности) расходов воды. Полезным при этом является применение типовых кривых обеспеченности, аналити­ ческие уравнения которых приведены в табл. 2.1. Для построения типо­ вых кривых вероятности превышения средних суточных расходов воды использовались данные многолетних наблюдений в 115 пунктах на ре­ ках Дагестана, Закавказья, Алтая, Карпат, бассейнов Оби, Енисея, Анга­ ры, Северного края, Верхне-Волжского района, Украины и других райо­ нов Советского Союза. Кривые построены для всех типов и групп рек по рассмотренной выше типизации. Построение велось по средним мно­ голетним (за 10— 0 -летний период) характерным расходам воды про­ должительностью 30. 90. 180, 240 и 355 дней. Средние многолетние Таблица 2.6 Значения коэффициента k j для различных групп рек

–  –  –

характерные расходы воды получены на основании таблиц суточных расходов воды и последующего осреднения ординат одинаковой про­ должительности за все годы. Каждая группа рек имеет свои особеннос­ ти и характеризуется семейством кривых, отличающихся от кривых любой другой группы. Для всех групп рек построены свои осредненные кривые обеспеченности, которые могут использоваться как расчетные.

Координаты кривых в виде функций модульных коэффициентов К и обеспеченности в сутках приведены в табл. 2.7

–  –  –

В соответствии с расчетным расходом определяются площадь живого сечения, средняя скорость течения, уклон водной поверхности, средняя ширина и глубина потока. После этого вычисляются коэффициент Шези С (м ^ 2/с), поперечные составляющие скорости на закруглении речно­ го потока v z (м /с), значения коэффициента турбулентной диффу­ зии D ( m 2 /с ). v При наличии измеренных уклонов I по формуле Шези C = v cp/ V f f l, (2.6) а при отсутствии данных об уклонах вычисляется по известной формуле Маннинга, содержащей коэффициент шероховатости, или ф ор­ муле Штриклера-Маннинга

–  –  –

где d3 — эффективный диаметр частиц донных отложений (мм)» кото­ рый для условий рек определяется как 50 %-ное значение крупности частиц по гранулометрической кривой. Формула (2.7) представлена в виде номограммы (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Номограмма C = f ( H /d 3).

Вертикальный масштаб изменяется при переходе от одной кривой к Другой.

Численные значения H /d 3 приведены у каждой кривой. Н в метрах, dg в мил­ лиметрах.

–  –  –

Параметр М является функцией коэффициента Шези. Значения М и N приведены в табл. 2.8. Величины vcp и Нср представляют собой соот­ ветственно среднюю скорость и среднюю глубину на расчетном участке потока.

Важную роль в процессе разбавления сточных вод в реках играют поперечные течения. В расчет вводится среднее значение поперечной сос­ тавляющей скорости v z ср соответственно в поверхностном (+) или придонном (— слое потока. Для вычисления v z ) рекомендуется фор­ мула

v Z cp = 0 13NHcpv c p /r (2-11)

где г — радаус кривизны русла, средний для участка русла ниже створа выпуска сточных вод, включающего одну-две меандры. Эта формула получена интегрированием формулы А. В. Караушева /30/ при введе­ нии поправочного коэффициента, равного 0,5. Интегрирование произ­ ведено от поверхности потока до той глубины, где v z меняет направле­ ние на обратное (примерно 0,5 Н ).

Последними исследованиями установлено, что в расчет, выполнен­ ный по всем вариантам метода конечных разностей (для установивше­ гося процесса), необходимо вводить поправку, учитывающую нерав­ номерность распределения глубин на участке, для которого произво­ дится расчет разбавления. Отклонение глубин от среднего значения при­ водит к увеличению кинематической неоднородности потока и к уси­ лению процесса перемешивания. Этот фактор учитывается путем вве­ дения поправочного множителя К д (табл. 2.9) к коэффициенту турбу­ лентной диффузии D. Следует учитывать, однако, что приведенные в этой таблице значения получены для условий малых рек. Применитель­ но к средним и большим рекам не рекомендуется брать К д 2, т. е.

указанной таблицей следует пользоваться для больших рек при значе­ ниях в от 0 до 0;6, а при больших всегда принимать К д * 2. Величина

–  –  –

При расчете разбавления в случае изменения расхода или отдельных элементов русла по длине потока (расчет по участкам) все перечислен­ ные характеристики и коэффициенты вычисляются отдельно для каж­ дого участка.

Для расчета осаждения взвешенных загрязняющих веществ в реках необходимы следующие исходные данные: 1) осредненные морфомет­ рические характеристики русла в пределах загрязненной струи (длина, ширина, глубина); 2) гранулометрический состав донных отложений на участке; 3) средний на участке действующий расход воды 0 Д (м3/с), способ определения этой величины изложен в разделе 6; 4) рас­ ход сточных вод QC (м 3/с) ; 5) содержание взвешенных частиц в сточ­ T ных водах sC (кг/м3) и средняя гидравлическая крупность этих частиц T (м /с); 6) естественная мутность потока и фракционный состав пере­ носимых им наносов, частные значения естественной мутности потока для i -й и (i + 1)-й фракции.

Кроме перечисленных величин, необходимо знать коэффициент Шези С и зависящее от него характеристическое число турбулентного потока N. Коэффициент Шези С при наличии измеренных уклонов водной по­ верхности вычисляется по формуле (2.6). При отсутствии сведений об уклонах он вычисляется пЪ данным о крупности донных отложений при использовании формулы (2.7) или находится по номограмме (рис. 2.2.). В зависимости от С по табл. 2.8 определяется характеристи­ ческое число турбулентного потока N.

Таким образом, все исходные данные могут быть получены по ма­ териалам измерений или путем соответствующих вычислений.

При явно выраженном анизотропном характере турбулентности по­ тока желательно оценить не только вертикальную компоненту коэффи­ циента турбулентной диффузии, которую находят по приведенным вы­ ше формулам, но и поперечную его компоненту. В основе такой оценки обычно лежат данные специально поставленного эксперимента. Об этом детально сказано в работе Л. Л. Пааля /65/.

Ниже при рассмотрении методики расчета разбавления (раздел 4) излагаются способы оценки анизотропных процессов диффузии, обу­ словленных влиянием поперечного переноса водных масс в потоках.

Следует иметь в виду, что эффект поперечного переноса вещества в по­ токе в ряде случаев может оказаться более значительным, чем эффект, обусловленный анизотропностью собственно турбулентности.

2.2.3. Приближенный метод расчета транзитных течений в реках

И злож енны е вы ш е м етод ы количественной о ц ен к и ги дравли чески х эл е­ м ентов п о то к а м огут быть отнесены к расчетном у участку п о то к а в ц ел о м, к отдельн ы м поперечникам или же к отдельн ы м транзитны м с т р у ям п о то к а, в ы д ел я е м ы м с пом ош ью специальной м ето д и ки, и м е ­ нуем ой в речной ги д равл и ке м ето д о м построения плана течений. Т ак ая м ето д и к а вп ер вы е бы ла разработан а Н. М. В ер н ад ск и м / 6 /, а затем у со ­ верш енствован а Б. В. П р о с к у р я к о в ы м / 6 /, А. В. К ар ау ш евы м /3 0, 3 1 / и др. П оследним из у п ом ян уты х ав торов реком ен д ован о д в а у п рош ен ­ ны х м етод а. О дин и з этих м етод ов и зл агается ниже. П ри необходим ости прим ен ени я более точного м етода м ож но пользоваться непосредствен­ но р ек о м ен д ац и ям и В ерн ад ск ого, и зл ож ен н ы м и достаточно п одробно в кн и ге /3 0 /.

Р ассм атриваем ы й ниж е м ето д отличается больш ой простотой. Расчет вед ется д л я всего участка р ек и одн оврем ен н о. Сначала без в с я к о го расчета на плане участка р ек и ориентировочно вы черчивается о р т о г о ­ н альная реш етка: линии т о к а и ортогон альн ы е к ним поперечники (рис. 2 3.)* Линии то к а при этом располагаю тся с учетом к а к у р езов берегов, так и распределения гл убин в плане. О ртогональны е попереч­ н и к и н ум ерую тся так: 0*, 1 *, 2* и т. д. М ежду ор то гон альн ы м и попереч­ н и к ам и п р о в о д я т расчетные проф или 1, 2,3 и т. д.; по м ере в о зм о ж н о с ­ ти их делаю т п р ям ы м и.

П риним аю т приближ енное равенство п родольны х падений свободн ой поверхности 5 по ш ирине р ек и на к а ж д о м участке п о то к а, заклю ченном м еж д у д в у м я соседними ортогональны м и п оперечникам и. В со о твет­ ствии с эти м д л я лю бой верти кали* располож енной на расчетном п опе­ речнике, м ож н о написать вы раж ение п родольн ого у к л о н а. Р ассм отрим, наприм ер, вер ти к ал ь А (рис. 2 3 ) ; н о м ер ее, считая о т л ев о го берега, будет i. Ч ерез lj обозначим дл и н у о т р е зк а ab к р и в о й линии (в о б щ ем сл у ч ае), параллельной соседним л и н и ям то к а и п роходящ ей через точ­ к у А. У к л он свободной поверхности на вер ти к ал и А оп редели тся со о т­ нош ением

–  –  –

или Ч ^ Н Ь 6 ^ 0. 5 / ^ 0 ’5 ), (2.1 6 ) где n j — к о эф ф и ц и ен т ш ероховатости д л я i -й вер ти к ал и, вы чи сляем ой п о ф орм ул е Ш триклера или п рин им аем ы й, наприм ер, по таблице М. Ф. С р и б н о го.

П ринятое условие о приближ енном постоян стве падений 5 свободной п оверхн ости по ш ирине р е к и п о зво л яет переписать ф о р м у л у (2.1 6 ) в вид е

–  –  –

(2.21) и напиш ем (2.22)

–  –  –

(2.2 3 ) или (2.2 4 ) П о д ан н ы м предварительной р азб и в к и п о то к а на струи вы чи сляю тся д л я р я д а верти кал ей к аж д ого расчетного поперечника величины f, f* или f ', а затем для поперечни ков н аход ятся значения А/3 и стр о ятся гр аф и к и /3 ( z ), где z ~ поперечная к оорди н ата. М аксим альная ордината гр аф и к а /3 делится на m равны х частей ( т - число с т р у й ), и и з точек делени я п р о в о д я тс я горизонтальны е линии до пересечения с гр аф и ­ к о м /3. И з точ ек пересечения оп уск аю тся п ер п ен ди ку л яр ы на Ось абс­ цисс, представляю щ ую водную поверхность. П ерп ен ди куляры дел ят ш ири ну В на о т р е зк и, равн ы е и с к о м ы м значениям ш ирины струи.

Результаты таки х построений, вы полнен н ы х д л я р я д а расчетных п оп еречн и ков, п ерен осятся на план, на к о то р о м п р о во д ятся линии то к а. П ерп ен ди к ул ярн о полученны м л и н и ям т о к а и у р езам вы черчи­ ваю тся ортогональны е п оперечники. Располож ение п оперечников ср ав­ нивается с первоначально нам еченны м и х полож ением. Д н я зо н, где будут обн аруж ены зам етны е о тк л о н ен и я, расчет п о вто р яется при ис­ пользовани и вн о в ь полученны х н а плане значений L П о вто р н ы е расчеты обы чно не занимаю т м н о го врем ен и, та к к а к в н и х частично исполь­ зу е т с я, результаты п ер в о го тура расчетов.

2.3. И сходны е данны е д л я расчета переноса растворенны х и взвеш енн ы х вещ еств в во д о ем ах 2.3.1. П риближ енная о ц ен к а течений и ги дродинам ических п арам етров во д о ем о в Д л я расчета разбавления сточных в о д в во д о ем ах н еобходи м ы сведения о расходах и составе сточных во д, ск о р о сти истечения сточной ж и д к о с ­ ти и з о г о л о в к о в сбросны х сооруж ений, диам етре о г о л о в к о в, глубинах в районе сброса, гран улом етри ч еском составе донны х отлож ений, в е т­ р о во м волнении, ск о р о с тях течения, коэф ф иц иен тах турбулентной ди ф ­ ф узии. П ри отсутствии соответствую щ их изм ерении парам етры волн, скорости течения и коэф ф иц иен ты турбулентной ди ф ф узи и опреде­ л яю тся расчетны м путем.

П о с к о л ь к у в во д о ем ах наиболее м о щ н ы м и бы ваю т ветр о вы е тече­ ния, необходим ой п ред п осы лкой расчета разбавлен и я яв л я е тс я вы чис­ ление ск о р о сти этих течений. Д л я приближ енны х расчетов переноса и диф ф узии загрязн яю щ и х вещ еств м ож но использовать следую щ ую ф о рм ул у средней скорости течения, предлож енную А. В.

К арауш евы м /3 3 /:

–  –  –

П ри вы полнении расчетов д л я волноприбой ной зо н ы ск о р о сть тече­ ния, средн яя в этой зоне, в п ериод в е тр о во го волн ен ия м ож ет бы ть в ы ­ числена по ф орм ул е А. Я. Ш варцм ан/1 0 0 /

–  –  –

Рис. 2.5. Номограмма для определения средней скорости вдольберегового течения.

н и я н ом ограм м ой достаточно знать отнош ение глубины на линии р а з­ руш ен и я в о л н Н р к ш ирине зо н ы во л н оп ри б о я В, значение к о э ф ф и ­ циента Шези С, в ы с о ту в о л н ы перед разруш ени ем h и угол п о дх о д а во л н к берегу va (остры й у го л м еж д у л у ч о м вол н ы и линией у р е з а ). Глубина на линии разруш ен и я в о л н оп ред еляется по соотнош ению Нр = l,3 h.

Д л я расчета взм у ч и в ан и я и осаж дения в в о д о ем ах н еобходи м о знать ск о р о сть течения у д н а Vj j. Она вы числяется по ф о рм уле К арауш ева, п озволяю щ ей получить Vj j д л я стационарны х ветр о вы х течений. П ослед­ ние наблю даю тся п ри уравновеш ивании расходов поверхностного те­ чения и донного противотечения. У казанн ая ф о р м у л а м о ж ет быть п ред­ ставлена в виде

–  –  –

где к ' — коэф ф и ц и ен т, опред ел яем ы й по табл. 2.11 в зависим ости о т С.

Ф орм ула (2.27) м о ж ет быть использован а д л я расчетов в усл о ви ях гл у б о к о в о д н о й зоны и м е л к о в о д ь я за пределам и волноприбойной зоны.

П ри вы полнении расчетов д л я волноприбойной зон ы скорость вдольб ерегового течения у дн а вы ч и сл яется по соотнош ению

–  –  –

значения к " приведены в табл. 2.11. С редн яя ск о р о сть v cp вдольберегового течения в волноприбойной зоне вы чи сляется по ф орм уле (2.26) или сним ается с упом инавш ейся вы ш е н о м о гр ам м ы.

П ри расчетах н еоб ходи м о такж е знать волн овую ск о р о сть у дна ув о л н Н ( м /с) * П оследн яя м о ж ет бы ть вы числена по ф орм уле

–  –  –

Важнейш ей количественной харак тери сти к ой турбулентности яв л я е тс я ки н ем атически й коэф ф и ц и ен т турбулентной в я зк о с т и, принимаем ы й равн ы м к оэф ф и ц и ен ту турбулентной ди ф ф узи и. У казанны й к о эф ф и ц и ­ ент, к а к отм ечалось в разделе 3, зависит о т ги дродинам ических элем ен ­ тов п о то к а. К оэф ф ициент турбулентной диф ф узии обладает значитель­ ной изм енчивостью в о врем ен и и пространстве и связан с р азм ер о м в и х ­ рей» осущ ествляю щ их турбулентны й перенос загр язн яю щ и х вещ еств.

Эти последние зам ечания особо надо учиты вать при оц ен ке д и ф ф у зи о н ­ ны х процессов в о зе р ах и водохранили щ ах. П ри м ал ы х р азм ер ах в и х ­ рей (м еньш е х арак терн ой глубины во д о ем а на рассм атри ваем ом участ­ к е ) турбулентность б л и зк а к изотропной. П ри увеличении р азм ера в и х ­ рей турбулентность в о зерах и кр у п н ы х водохран и ли щ ах становится все более анизотропной, и в области к р у п н ы х м асш табов турбулентны х ви хрей гори зон тальн ая составляю щ ая коэф ф и ц и ен та турбулентной ди ф ф узии значительно превы ш ает вертикальную /6 1,9 4 /.

В ертикальная составл яю щ ая коэф ф и циента турбулентной ди ф ф узи и при сл аб о м в е тр о в о м волнении или к оэф ф и ц и ен т турбулентной д и ф ф у ­ зии в изотроп ной турбулентности вы числяю тся по той же зави си м о с­ ти, что и д л я р ек :

D = gH vcp /(M C ),

где v cp — средн яя ск о р о сть течения на участке распространения за гр я з­ няю щ их в е щ е с т в ; Н — сред н яя глубин а на этом участке П ри волнении турб ул и зац и я в о д н ы х м асс возрастает, но это не учи­ ты вается приведенной ф о р м у л о й. П овы ш енная турбули зац и я в этом случае о б у сл о вл ен а к а к взаи м од ей стви ем зн акоп ерем ен н ы х к о л е б а ­ тельны х движ ений в о д н ы х м асс с ш ер о х о в аты м дн о м, та к и вза и м н ы м в л и ян и ем дви ж ения в и х р евы х и н дивидуум ов турбулентного п о то к а и о рбитальны х перем ещ ений ж идкости, обусловлен н ы х волнением. М ож­ но считать, что интенсивность турбулентности, к о то р а я количественно х ар ак тер и зу ется коэф ф и ц и ен том турбулентной ди ф ф узи и, о п р ед ел яет­ ся су м м ар н ы м эф ф е к т о м переносного течения и знакоп ерем ен н ого в о л н о во го дви ж ения вод н ы х масс.

Ф орм ула д л я расчета коэф ф ициента турбулентной ди ф ф узи и д л я у к азан н ого случая приобретает ви д /3 2 /

–  –  –

где Н — ср ед н я я глубина в рассм атриваем ой зоне, м ; h — вы со та волн ы 1 %-ной обеспеченности в этой ж е зоне, м.

Д л я расчета горизонтальной составляю щ ей коэф ф ициента турбулен т­ ной в я з к о с т и к руп н ого во д о ем а предлагается следую щ ая ф орм ула:

–  –  –

где vcp — средн яя скорость течения на рассм атри ваем ом участке, м /с:

Н — средн яя глубина на это м участке, м ; g — у скорени е свободн ого па­ ден ия, м / с 2. Ф орм ула прим ен им а дн я участков глубиной от 10 до 100 м.

П ри расчетах разбавл ен и я загрязн яю щ и х вещ еств на м ал ы х р ассто я­ н и ях от в ы п у с к а м ож ет быть при нято допущ ение о б изотропности турбулентности. В это м случае к оэф ф и ц и ен т турбулентной ди ф ф узи и следует определять по ф орм ул е ( 2.8 ) п ри слабом в е т р о в о м волнении, а при наличии интенсивного в е тр о в о го волн ен ия — по ф о р м у л е (2.3 0 ).

П ри расчетах разбавл ен и я на значительном удалении о т м еста в ы п у с к а сточных в о д н еобходи м о учитывать анизотропны й х ар а к тер турб улен т­ ности в в о д о е м а х и вы числять горизонтальную составляю щ ую к о э ф ф и ­ циента турбулентной ди ф ф узи и по ф орм ул е (2.3 3 ), а верти кальн ую составляю щ ую —по ф о р м у л е (2.8 ) или (2.3 0 ).

П ри вы числении ск о р о сти течения и коэф ф ициента турбулентной ди ф ф узи и по п ри веден ны м ф о р м у л а м исходн ы м и явл яю тся скорости и направлен ия ветра, глуби н а на рассм атри ваем о м участке во д о ем а, гранулом етри чески й состав донны х отлож ений на этом участке. Состав дон н ы х отлож ений и спользуется д л я определен и я среднего на участке эф ф екти вн о го диам етра дон ны х отлож ений. Д л я н ахож дения d 3 строит­ с я интегральны й гр аф и к гранулом етри ческого состава осредненной п робы грунта, характеризую щ ей круп н ость до н н ы х отлож ений н а в е е м и сследуем ом участке.

П ри отсутствии изм ерений элем ентов в о л н он и рассчитываю тся в соответствии с у к аза н и я м и СН и П 1 1 - 5 7 —75* ч. II, гл. 57, Вычисления п р о и зво д ятся с использовани ем специальных н о м о гр а м м и расчетных ф о р м у л, приведенны х в СН и П и им ею щ и х свои особенности в зави си ­ м ости от глубин ы зон ы во д о ем а, д л я к оторо й прои зводи тся расчет.

При этом различаю тся следующ ие зо н ы : 1) гл у б о к о в о д н а я, в ко то р о й глубина больш е пол ови н ы средней дл и н ы во л н ы (Н 0,5 L ) ; в этой з о ­ не дно весьм а м ал о в л и я е т на характери сти ки во л н ; 2 ) м ел к о в о д н а я с глубиной, меньш ей п оловины длин ы в о л н ы, но превыш аю щ ей к р и т и ­ ческую глубину Нк р, при к оторой п роисходи т первое обруш ение волн (0.5 L Н Н к р ) ; в этой зоне дно о к азы в ае т влияние на осн овн ы е х а ­ р ак тер и сти к и ветр о в ы х вол н ; 3 ) прибойн ая зона с глубиной от до глуби н ы Н к п, при к оторой происходит последнее обруш ение в о л н ;

4 ) п р и у р езо вая зон а с глубиной, меньш ей Н к п.

П ри вы полнении расчетов рек о м ен д у ется пользоваться поясн ен и ям и к СН и П, приведенны м и в ”Р у к о во д стве по определению н агр у зо к и воздействий на гидротехнические сооруж ен и я”, 1975 г. Д л я м е л к о в о д ­ ны х в о д о ем о в м ож н о использовать такж е м етод Б р ас л а в с к о го /1 2 /.

С к орость течения и к оэф ф и ц и ен т турбулентной ди ф ф узи и обладаю т значительной изм енчивостью в пространстве и во врем ен и. Т а к, нап ри ­ м ер, исследование горизонтальны х составляю щ и х к о эф ф и ц и ен та тур­ булентной ди ф ф узи и в о з. Б а й к а л п о к аза л о, что ко эф ф и ц и ен т вариации С характеризую щ ий изм енчивость изучаем ой величины, п ри бли ­ зительно равен 0,7 /3 /. У казанная изм енчивость о б условлен а в за и м о ­ дей стви ем м нож ества ф а к т о р о в. Вследствие этого *при вы полнении расчетов р азбавл ен и я загрязн ен н ы х в о д необ х о ди м о вы ясн и ть п о в т о ­ р яем ость (или обеспеченность) п олучаем ы х х ар ак тер и сти к р азбавлен и я (н ап ри м ер, р азм ер о в зон ы загр я зн ен и я, концентрации на задан н ом р ас­ стоянии от в ы п у с к а сточны х в о д и т. д. ).

В п о р я д к е п ервого приближ ения ск о р о с тя м течения и ко эф ф и ц и ен ­ там турбулентной ди ф ф узи и приписы ваю т обеспеченность ск о р о сти ветра. И м ею тся эм пирические к р и вы е обеспеченности ско р о сти течения в во д о ем ах /2, 15/. Эмпирические к р и в ы е обеспеченности ко эф ф и ц и ен ­ та турбулентной ди ф ф узи и в о зере Б а й к а л удовлетвори тельн о соот­ ветствую т к р и в о й трехпарам етрического гам м а-распределения при соотнош ении м еж д у коэф ф и ц и ен том асим м етрии и ко эф ф и ц и ен то м в а ­ риации С ^ З С у р /3 /. П ериод Наблюдений, и спользованны х п ри п о ­ строении к р и в ы х обеспеченности D, охватил практи чески все х ар а к тер ­ ные д л я безледоставного периода гидром етеорологические у сл о в и я на о зере Б а й к а л. Есть осн ован и я считать, что к р и в а я гам м а-распределения я в л я е тс я достаточно общ ей д л я х ар ак тери сти к и данного я вл ен и я в к р у п н ы х о зе р ах и водохранили щ ах. И спользование у к азан н ой кр и во й п о зв о л яе т определять значения коэф ф и ц и ен то в турбулентной д и ф ф у ­ зи и заданной обеспеченности и, вы полн ив расчет при заданны х обесп е­ ченностях д р у ги х и сходн ы х хар ак тер и сти к, получить обеспеченность расчетной зо н ы загрязн ен и я.

2.3.3. М етодика детальны х расчетов течения в во д о ем ах Д л я вы п ол н ен и я детальны х расчетов разбавлен и я в во д о ем ах м ож ет во зн и к н у ть необходим ость расчета течений с достаточно слож ной с т р у к ­ турой, обусл о вл и ваем о й так и м и ф а к то р а м и, к а к ветр о во е воздей стви е на водную поверхность, сток впадаю щ их в в о д о ем р е к, слож н ы е ф о р ­ м ы рельеф а дн а и очертания берегов, наличие плотностной стр ати ф и к а­ ции и т. д. В этом случае о ц ен к а ск о р о сти течения по приведен н ы м в ы ­ ш е зави си м о стям даст сл и ш к о м грубое приближ ение. П ри необходи ­ м ости п овы ш ения точности расчетов п ол е ск о р о сти течений в во д о ем е м ож ет бы ть получено п утем м од ели р о в ан и я — ги др авл и ческо го либо м атем ати ч еского. М етод м атем ати ческого м о дели р о ван и я получил в последнее в р е м я ш и р о к о е распространение, ем у п освящ ен о больш ое коли ч ество к а к отечественны х, та к и зарубеж ны х р аб о т, среди них моно1 р а ф и и /1 6, 56, 9 3, 9 4 и д р./, где при води тся р я д м оделей и дается их к ласси ф и кац и я, обсуж даю тся уравн ен и я и граничные у с л о в и я, р ас­ см атриваю тся численные м етод ы реш ени я диф ф еренциальны х у р ав н е­ ний.

Р ассм отрим в качестве п рим ера относительно просты е м одели тече­ ний. П ри реш ении задачи о распространении загр язн яю щ и х вещ еств в н е г л у б о к о м в о д о ем е, к а к прави л о, рассматриваю т! осредненны е по гл у ­ бине значения концентраций. П ри это м используется д в у м е р н ая м одель течений, п о зво л яю щ ая вы числять распределение осредненны х п о гл у б и ­ не скоростей в плане в о д о ем а.

Т а к а я м одель м ож ет бы ть о сн ован а на численном реш ении уравнений м ел к о й во д ы /1 6,6 7 /:

–  –  –

где 7 = 0,065 к г / м 3 — постоянная.

В м онограф и и /9 3 / рассм отрены возм ож н ости численной реализации м одели на основе м етода конечны х разностей. В работе /7 7 / приведен усоверш енствованны й вариант м о д ели, позволяю щ и й учесть трение на дне (у Ф ельзенбаум а н а дне задается условие п р и л и п ан и я). Численное реш ение диф ф еренциального уравнения д л я ф ун кц и и п олн ы х п о то к о в осущест вляет ся с и сп ол ьзован и ем м етода конечны х эл ем ен то в. Послед* ний п о зв о л яе т учесть реальную кон ф и гурацию во д о ем а точнее, чем м е­ то д конечны х разностей. К р о м е то го, п о яв л яе тс я во зм о ж н о сть у в е л и ­ чить разреш аю щ ую способность в наиболее важ н ы х у частках во д о ем а б ез увеличения общ его числа у з л о в.

К а к правило, дл я реализации м оделей требую тся бы стродействую ­ щие ЭВМ. М одели реализую тся в вид е п р о гр ам м, в р е м я расчета зави ­ сит от бы стродей ствия ЭВМ, слож ности м одели, р азм еров области р е ­ ш ения. Н априм ер, м одель, основан ная на разностной схем е ( 2 3 6 ) —

- ( 2. 3 7 ) и реализованная в вид е ФОРТРАН - п р о гр ам м на ЭВМ ЕС-1045, требует д л я расчета на су тки с вр ем ен н ы м ш аго м 45 с дл я пространственной сетки р азм ер о м 40 х 30 о к о л о 16 м и н м аш инного врем ени. В ы бор м о д ели д л я к о н к р е тн ы х в о д о ем о в дол ж ен осу щ ест­ вл яться с учетом особенностей данного во д о ем а (глуби н ы, наличия стратиф икации и т. д.) и поставленной задачи.

3 ВОПРОСЫ ТЕОРИ И ПРОЦЕССОВ ЗА Г Р Я ЗН Е Н И Я

И САМООЧИЩ ЕНИЯ Р Е К И ВОДОЕМОВ

3.1. У равнения баланса и турб ул ен тн ой ди ф ф узи и

–  –  –

где s — дей стви тельная к онцентраци я загрязн яю щ его вещ ества в к а ­ кой-ли бо точ ке или в сечении п отока.

П ри оп ерировании с приведенны м и кон ц ен тр ац и ям и кон ц ен трац и я вещ ества в сточных в о д ах такж е долж н а бы ть ’’приведена” по правил у (3.1 ).

У равнение баланса кон сервати вн ого вещ ества ( 1. 1 ) в п о то к е, им ею ­ щ ем ф о н о ву ю концентрацию s e, д л я п риведенны х величин, т. е. в п р е­ вы ш ен и ях н ад ф о н о м, запи сы вается в виде (3.2 ) где концентрации sCT и sn яв л я ю т ся приведенны м и, о д н ак о и н декс ”п р и в ” п р и этих величинах опущ ен д л я упрощ ен и я записи. И ндекс ”п ”, к а к и в п реды дущ их разделах п о к азы в ает, что значение концентрации берется в ство р е достаточного перем еш ивания. С ледует им еть в виду, о д н а к о, и то, что sn в уравн ен и ях баланса вещ ества вы раж ает такж е и средневзвеш енную (по ск о р о с т я м и глуби н ам ) концентрацию вещ ест­ в а в поперечном сечении п отока.

С оверш енно очевидно, что при sg = 0 уравнение баланса, вы раж енное в истинны х значениях концентрации д л я кон сер вати вн о го вещ ества, им еет тот же в и д, что (3.2 ).

Е сли во д о заб о р п редп риятия, сбрасы ваю щ его сточные в о д ы в р е к у, п рои звод и тся и з той же р е к и вы ш е м еста сброса, то уравнение баланса вещ ества в приведенны х концентрац иях записы вается в ви д е

–  –  –

Здесь s — к онцентрац ия загрязн яю щ его вещ ества в во д е, г /м 3, м г/л или в д руги х единицах; t - в р е м я, с; и - величина, вы раж аю щ ая г и д ­ равлическую круп ность взвеш енн ы х частиц, м /с, (дл я растворенны х вещ еств (и = 0 ) уравнение записы вается без последнего член а); v, v y, v z — к о м п о н ен ты скорости течения (м /с ) относительно к о орди н ат х, у, z ( м ). Ось х направлена по течению п ото к а, ось у - о т п оверхн ос­ ти к о дн у, ось z — по ш ирине п о то к а. D коэф ф и ц и ен т турбулентной ди ф ф узи и ( м 2 /с)

D = А /р, (3.5)

где А - ко эф ф и ц и ен т турбулентного обм ена, к г /(м * с ); р - плотность во д ы, к г / м 3.

В зависим ости от х ар а к тер а п о то к а и особенностей реш аем ой задачи уравнение (3.4) записы вается с соответствую щ и м и уп рощ ениям и. Н а­ прим ер, д л я условий устан ови вш егося процесса ди ф ф узи и р астворен ­ ны х вещ еств в п о то к ах уравнение с достаточны м приближ ением м ож ет быть представлено в виде

–  –  –

Уравнение диф ф узии м ож ет быть записано и д л я случая п л о ск о й за­ дачи, т. е. распространения загрязн ен н ы х во д в одной какой -ли б о п л о с­ к о сти, напри м ер в горизонтальн ей. Эта задача в о зн и к ае т, в частности, в то м случае, если по верти кал и перемеш ивание в п о то к е о су щ ествл яет­ ся очень бы стро, поперечные течения отсутствую т и п редставляет и нте­ рес проследить за распространением загрязн яю щ его вещ ества по ш ири­ не п о то к а.

Д л я указан н ого случая уравнение записы вается так:

–  –  –

И спользуем ы е при расчете граничные у сл ови я основаны на принципе сохранения вещ ества и учитываю т, что перенос вещ ества через непрони­ цаем ы е п оверхн ости, ограничиваю щ ие п о то к, р ав ен нулю. Т а к, напри­ м ер, д л я б о к о в о й поверхности п о то к а (берега) граничное у слови е запи ш ется в виде <

–  –  –

На границах турбулентного п о то к а, так же к а к и в его толщ е, к о э ф ­ ф ициент D не м ож ет бы ть равен нулю, п оэтом у граничное условие (3.9 ) п риобретает в и д

–  –  –

Если вещ ество протекает через поверхность, ограничиваю щ ую п о то к, т. е. вы ходи т за пределы п о то к а или, наоборот, поступает в п о то к че­ р ез эту поверхн ость, то граничное условие записы вается в виде

–  –  –

где п — норм аль к рассм атриваем ой поверхности, н аправленная внутрь п о то к а. Расход вещ ества через единицу площ ади поверхности q sn ( к г /м ? с ) я в л я е тс я п олож ительн ы м, если он н аправлен в п о то к, т. е.

в сторон у полож ительного нап равления оси п.

Начальное условие при расчете м ож ет задаваться следую щ им о б р а­ зом :

1 ) в виде распределения концентрации на начальном поперечнике;

2 ) в виде расхода и концентрации поступаю щ его в п о то к вещ ества с у к аза н и ем места его в ы п у с к а.

П ри расчете турбулентной ди ф ф узи и в во д о ем ах, характеризую щ их»

с я в е сь м а сл аб ы м и и неустойчивы м и по направлению течениям и, п р и м е­ н яется м ето д, основанны й на в ы в ед ен н о м К арау ш евы м уравнении ту р ­ булентной диф ф узии в цилиндрических коорди н атах д л я н ек о н сер ва­ ти вного вещ ества (ко эф ф и ц и ен т н еконсервативности к н ) /5 9 /.

П ри составлении уравнения бы ло п рин ято, что источник за гр я зн е­ н и я с р асх о д о м QCT наход и тся в центре к оорди н ат.

Уравнение им еет следую щ ий вид :

–  –  –

В этих ф о р м у л ах г — координата (р а д и у с ), вы раж аю щ ая расстояние от источника загр язн ен и я, м ; t — в р е м я, с; — угол сек то р а, в ко то р ы й р поступаю т загрязненны е во д ы, р асход к о то р ы х Qc t ; Н — глубина во д о ем а на участке поступления сточных в о д, м.

Н екоторы е задачи о ди ф ф узии растворенного в во д е вещ ества м огут реш аться при использовании вы вед ен н ого К ар ау ш евы м /3 6 / уравнения турбулентной ди ф ф узи и в сф ерических коорди н атах. Уравнение п р и м е­ ним о в тех случаях, к о гд а степень разб авл ен и я надо оценить на ср авн и ­ тельно неб ол ьш ом расстоянии от о г о л о в к а сбросного сооруж ения, при этом последний находится на значительном расстоянии о т берега в д о с ­ таточно г л у б о к о м вод оем е. П редполагается, что на участке в ы п у с к а течения слабы е и неустойчивы е по направлению и скорости. Принятые у сл о в и я п о зво л яю т приближ енно оценивать диф ф узию к а к о д н о м ер ­ ный процесс с центральной сим м етрией и использовать сферические ко о р д и н аты с центром у сбросного о г о л о в к а. О собенностью данного случая, к а к и п реды дущ его, оп и сы ваем ого уравн ен и ем (3.1 2 ), я в л я е т ­ ся то, что значения концентрации будут и зм ен яться лиш ь в направлении радиуса г.

Д иф ф еренциальное уравнение турбулентной ди ф ф узи и в тако й сис­ теме к о о р д и н ат м ож но получить на основании баланса вещ ества в час­ ти ш ар о в о го сектора. У читывается перенос вещ ества в радиальном н а­ правлении и изм енение его концентрации в о врем ен и.

У казанное уравнение диф ф узии д л я н ек он сервати вн ого вещ ества м ож ет бы ть представлено следую щ им о бразом :

–  –  –

Здесь вы раж ает плоски й центральны й уго л ш арового сек то р а. П ри вы п уск е сточных в о д в середине вер ти к ал и tp = 27т и = 2. При в ы ­ пуске у поверхности или у д н а сточные в о д ы распространяю тся в в и ­ де п ол усф еры и соответственно *р = я, ат?^, = 1.

Р я д исследователей в реш ениях о турб улен тн ом перем еш ивании в качестве исходного уравн ен и я использует уравнение ди ф ф у зи и, содер­ жащ ее к оррел яц и он н ы е м ом ен ты ви д а: s 'v 'v и т. д., где s ' v 'x, v у — соответственно пульсационны е значения концентрации, п р о до л ь­ ной и верти к ал ьн ой составляю щ их ск орости.

Это уравнение д л я раст­ ворен ны х вещ еств запи сы вается та к :

13|7) Уравнение (3.1 7 ) с доб авочн ы м членом, учиты ваю щ им н еконсервативность вещ еств, прим енено, наприм ер, в работах X. А. Вельнера, А. М. А йтсам а, JI. Л. П ааля и др. /1,6 4 /.

П ри п р ак ти ч еско м использовании уравн ени я (3.1 7 ) во зн и к аю т тр у д ­ ности, обусловленны е необходим остью непосредственного и зм ер ен и я к о р р ел яц и о н н ы х м ом ен тов в то м п о то к е, д л я к о то р о го прои зводи тся расчет, или в его аналоге. В настоящ ей м онограф и и реш ения, о сн о в ан ­ ны е на у к аза н н о м уравнении, не использую тся.

Задача о начальном разбавлении за счет ки н ем ати ческого различия загрязн яю щ ей струи и окруж аю щ и х в о д н ы х масс п о то к а на сравнитель­ но н еб ол ьш ом расстоянии от м еста в ы п у с к а и м ето д и ка расчета началь­ ного разбавления подробно рассм отрены в р аботах Н. Ф. Ф едорова, Н. Н. Л а п т е в а и др. /4 8,9 1 /. Результаты, полученные у к азан н ы м и ав то ­ рам и, использованы ниже.

На конечны й эф ф е к т разбавления на больш их участках р е к или в во д о ем ах начальное разбавление, к а к прави л о, вл и яет м ал о, п о это м у при расчете распределения концентрации загр язн яю щ и х вещ еств на значительном расстоянии от сбросов начальное разбавление обы чно не учиты вается.

Рассм отренны е вы ш е уравнения турбулентной ди ф ф у зи и основаны на градиентной зависим ости ди ф ф узии. У равнения (3.4 ) —(3.1 4 ) н ах о ­ д я т ш и рокое применение при реш ении п рактически х задач и при доста­ точно п рави льн ом назначении осн овн ого п а р а м е т р а -к о э ф ф и ц и е н т а ту р ­ булентной ди ф ф узи и — п о зво л яю т получить вп олн е удо вл етво р и тел ь­ ны е результаты. Н ек о то р а я о ш и б к а д о п у ск ается в о ц ен ке р асп ростра­ нения вещ еств в периф ерийны х областях зо н загр язн ен и я и в л и ян и я и п риводит к завы ш ению и х р азм еров — расш ирению областей м алой конц ентрации. О чевидно, что у к азан н ая неточность м о ж ет им еть зн а­ чение лиш ь при оц ен ке распространения в в о д н о м о бъ екте весьм а т о к ­ сичных вещ еств, в обы чны х же случаях сброса вещ еств, н о р м и р у ем ы х по П Д К, п одобн ая неточность не м ож ет рассм атриваться к а к сущ ест­ вен н ая и не вл и яет на принятие реш ений, связан ны х с планированием во д оохран н ы х м ероп риятий, п роекти рован и ем во д о п о л ьзо ван и я или сбросов сточных во д. П ри оц ен ке распространения токси чн ы х вещ еств результаты расчетов по р ек ом ен д уем ой ниже м ето д и ке м о гу т оцени­ ваться к а к дающие некоторы й ’’запас прочности”.

У казанного недостатка лиш ена м одель диф ф узи и с конечной с к о ­ ростью. П роцессы диф ф узии с конечной скоростью переноса частиц анализировались О. К. Б л у м б ер г в ГГ И в 30-х годах. О дн ако эти р аб о ­ ты не получили м атем атического оф орм л ен и я.

М одель ди ф ф узи и с конечной скоростью разработана А. С. М ониным прим енительно к у сл о в и ям свободной атм осф еры и о к еа н о в. Д л я р у с­ ло во го п о то к а такая м одель предлож ена А. Д. Г и р ги д о в ы м в Л енин­ гр ад ск о м п оли техническом институте. Разрабаты ваем ы е на основе этой теории практические м етоды расчета см огут в дальнейш ем найти п р и м е­ нение при реш ении н ек о то р ы х специальных задач о диф ф узии в в о д о ­ токах.

3.2. О саж дение взвеш енны х вещ естви вторичное загрязнение

У добная д д я п ракти ч еского прим енения зависим ость, п озво л яю щ ая вы числить осаждение взвеш ен н ы х частиц, а такж е вторичное за гр я зн е ­ ние вод н ы х м асс за счет в зм ы в а с поверхности дна осевш и х за гр я зн ен ­ ных частиц, разработана А. В. К арауш евы м /3 2, 3 3 / и А. Я. Ш варцман /9 9 /. Эта зависим ость вы вед ен а при использовании уравнения ту р б у ­ лентной д и ф ф у зи и, вы раж ен и я транспортирую щ ей способности п о то к а, а такж е уравнения баланса взвеш ен н ы х частиц на участке речного п о ­ т о к а. П робл ем а транспортирую щ ей способности п о то к а требует спе­ циального рассм отрен ия с детальны м излож ен и ем вс ех ее асп ектов.

Этой п р обл ем е п освящ ена оп у б л и к о ван н ая в 1977 г. Г и дрологическим и н ститутом м о н о гр аф и я /3 3 /. В настоящ ей к н и ге затрагиваю тся то л ько те воп р о сы транспорта нан осов, ко то р ы е имею т п р ям о е отнош ение к способам расчета качества вод н ы х м асс.

Уравнение баланса взвеш ен н ы х частиц в о б щ е м виде м ож но записать следую щ им о бр азо м :

нач + бп ^Э верт к он (3.18) Здесь P g и Pg — соответственно секундны е расходы взвеш енн ы х вещ еств (наносов) в начальном и конечном створах кон трольн ого у частка п о то к а; P g бп — сум м арны й расход наносов вс ех б о к о в ы х при­ т о к о в (сточны х в о д, ручьев и р ек на к он трол ьн о м участке) ; P g верт — результирую щ ее секундное коли чество н аносов, отлагаю щ ихся в пре­ делах участка или поступаю щ их в п о то к от р азм ы в а русла и пойм ы.

Величина Ps верт я в л я е тс я результирую щ им вер ти к ал ьн ы м р асх о до м н аносов, опред еляю щ им деф орм ацию русла. М ожет бы ть представлена к а к алгебраическая с у м м а частных р азм ы в о в Р^ разм и отлож ений Р 1 : ___ т. е. в виде о тл5 ^

–  –  –

Д л я расчетов распределения м утности по длине п о т о к а используется уравнение баланса взвеш енн ы х вещ еств, составленное по схем е п р ед ы ­ дущ его уравн ен и я д л я участка с о д и н ако в о й направленностью процес­ са (р азм ью или отлож ение) при отсутствии б о к о во го п р и то ка. Оно з а ­ п и сы вается в виде

–  –  –

в к о то р о й U| — средн яя ги дравлическая крупн ость загр язн яю щ и х в з в е ­ ш енны х частиц; sb3m — частная м утность в зм ы в а, о бр азу ем ая за гр я з­ няю щ им и взвеш енн ы м и частицами. Эта величина вы чи сляется по сл е­ дую щ ей ф орм ул е:

–  –  –

где а в з м i — процентное содерж ание загрязн яю щ и х взвеш ен н ы х частиц в составе донны х отлож ений; SB3M — общ ая м утность в зм ы в а в г /м 3, к о т о р а я оп ред ел яется по ф орм уле

–  –  –

в к оторой — гидром еханический парам етр взвеш ен н ы х загр язн яю ­ щ их частиц, определяю щ ий условие и х транспорта в толщ е турбулен т­ ного п о т о к а /3 3 /. Значение находится по специальной таблице в з а ­ ви сим ости от С и от отнош ения гидравлической к руп н ости загр я зн яю ­ щ их частиц к средней скорости п о то к а v c p, т. е. от (3.2 6 ) П ри sHa4 ^ sxp ^ уравнение (3.2 4 ) дает ум еньш ение концентрации в зв еш ен н ы х частиц п о длине п о то к а (заи л ен и е), при sHa4 ^ sTp ^ увеличение концентрации взвеш енн ы х частиц (р а з м ы в ). У казанное уравнение в пол н ом ви д е или с соответствую щ им и уп рощ ен и ям и я в ­ л я е т с я осн ов ой при расчетах осаж дения взвеш ен н ы х частиц и втори чн о­ го загрязн ен и я в речных п о то к а х и на участках в о д о ем о в с тран зи тн ы м течением.

3.3. Об учете распада вещ еств п р и оц ен ке процессов загрязн ен и я и самоочищ ения Важную роль в процессе сниж ения концентрации загр язн яю щ и х в е ­ щ еств в р е к а х, о зерах и водохранили щ ах играет не только р азб авл е­ ние, но и биохим ические и ф и зи ко-хим ически е п р о ц ес сы. Среди последних наиболее сущ ественное значение им ею т окисли тельн о-вос­ становительны е превращ ения органи ческих и неорганических соедине­ ний, сорб ц и я и десорбц ия, образован ие труд н ораствори м ы х и к о м п л е к ­ сны х соединений, реакции полим еризации и конденсации. Р оль отдель­ ны х ф а к то р о в в самоочищ ении вод н ы х о б ъ е к то в зависит от к о н к р е т ­ н ы х условий того или иного загрязненн ого во д н о го о б ъ екта: хим ичес­ к о й п ри роды сб расы ваем ы х в него вещ еств, биом ассы, м и к р о о р ган и з­ м о в, к и сл ородн о го реж им а, степени турбулентности, тем пературного р еж им а, ги дрохи м и ческ ого ф он а и н ек о то р ы х д р у ги х ф ак то р о в.

Ф изико-хим ические процессы, протекаю щ ие в во д о ем ах и в о д о то ­ к а х, м огут бы ть количественно описаны с пом ощ ью уравнений и за в и ­ сим остей, п р и м ен яем ы х в ф изической хим ии разбавлен н ы х во д н ы х р астворов. Значительно более слож н ы м я в л я е тс я описание процессов трансф орм ации и распада н естой ких органи чески х вещ еств, вн о си м ы х со сгочны м и во д ам и в р е к и и во д о ем ы. К а к п о к аза л и и сследования р яд а специалистов/27/, эти органические соединения претерпеваю т в в о д н ы х о б ъ е к т ах слож н ы е превращ ения с об р азо ван и ем пром еж уточ­ ны х и н ов ы х конечны х п р о д у к т о в. В настоящ ее в р ем я наиболее р асп р о­ странены два п о д х о д а к количественной о ц ен к е ф и зи к о-хи м и ч еск и х и би ох и м и ч еск и х пр оц ессов сам оочищ ения /2 8 /.

П ервы й п о д х о д заклю чается в су м м а р н о м учете ск ор остей пр ев р а­ щ ения (к оэф ф и ц и ен то в некон сервативности) вещ еств, о п р ед ел я ем ы х п о натурны м наблю дени ям за и зм ен ен и ем содерж ания загрязняю щ их в ещ ест в. Его прим енение осн ов ан о на том сообр аж ен и и, что в у сл о в и я х в о д н ы х о б ъ ек т о в тр у д н о определить, к о г д а кончается биохим ический п роц есс распада (трансф орм ации) и к о г д а начинаются ф изи к о-хи м и чес­ к и е процессы. Во м н о г и х случаях эти процессы тесно в заи м освя зан ы и п р отекаю т о д н о в р ем ен н о. Н ед остатк ом такого с п о со б а оц ен к и сам оочищ ающ ей сп особн ости является н ев о зм о ж н о ст ь выяснить м ех а н и зм превращ ений загр я зн я ю щ и х вещ еств и роль отдельны х ф а к то р о в.

В тор ой путь предусм атривает диф ф еренцированны й количественны й учет отдельны х пр оц ессов п утем изучения кинетики превращ ений в у с л о в и я х л абор атор н ого м одел и р ован и я. О дн ако п ер ен ос получаем ы х при эт о м количественны х характеристик (к о эф ф и ц и ен тов ск ор ости превращ ений хи м и ч еск и х соединен ий) непосредствен но на водны е о б ъ ек т ы в о м н о г и х случаях затр уднен, так к ак в природны х у сл о в и я х на ск ор ость трансформ ации (распада) вещ ества оказы в аю т влияние др уги е протекаю щ ие, параллельно процессы сам оочищ ения, в частности разбавление.

В результате проведения натурны х исследований и л абораторны х эк сп ери м ен тов получены сведен и я о м ех а н и зм е и с к о р о с т я х превращ е­ ния так и х групп органически х вещ еств, к а к ф ен ол ы, спирты, кетоны, сахара, СПАВ, лигнин и т. д. Д л я н еск о л ь к и х д еся тк о в индивидуальны х соединений установлены коэф ф ициен ты ск о р о ст и превращ ений. Н аибо­ л ее полны е сведен ия о к оэф ф и ц и ен тах ск ор ости превращ ений органи­ ч еск и х в ещ еств, установленны е п у т ем л абор атор н ого м одел ир овани я, приведены в работе /2 8 /.

О рганические вещ еств а, загрязняю щ ие водн ы е объ ек ты и п о д в е р ­ гаю щ иеся р асп аду, м о ж н о у сл о в н о разделить по а б со л ю т н о м у значению к о эф ф и ц и ен тов ск о р о ст и превращ ений на биохим и чески ж есткие с о е ­ динения (к оэф ф и ц и ен т м еньш е 0,0 5 су т -1), би охи м и ческ и м ягки е (к оэф ф и ц и ен т вы ш е 0,3 0 с у т - 1 ) и на пр ом еж уточную гр у п п у (к о э ф ­ ф ициент больш е 0,0 5, н о м еньш е 0,3 0 ).

П роцессы сорбции органически х вещ еств на взвеш енн ы х вещ ествах, ги д р о о к и ся х м еталлов и д он н ы х отл ож ен и ях им ею т подчиненное значе­ ние. Значительно сущ ественн ее роль взвеш енн ы х вещ еств к а к су б ст р а ­ та д л я развития м и к р о ф л о р ы, разруш аю щ ей органические вещ ества.

С остав п р ом еж уточны х п р о д у к т о в трансформ ации и ск ор ости их превращ ений зависят от хим ич еской структуры вещ еств, состава и свойств в о д ы, тем пературного и ги др ол оги ч еск ого р еж и м а в о д н о го объ ек та, состава м и к р о ф л о р ы.

П реобладаю щ им п р о ц ессо м в самоочищ ении в о д а от солей таких тяж елы х м еталл ов, к а к ж е л е зо, м арганец, алю м иний, является ги д р о ­ л из, а от м е д и, цинка, кобальта, н и к ел я — сор бц и я и соосаж дение на г и д р о о к и ся х м еталлов и на частицах взвеш енн ы х наносов.

С ум м ар н ое и зм ен ение концентрации загрязняю щ его вещ ества за счет протек ан и я п числа процессов превращ ений его в в о д н о м объекте м ож ет бы ть описано диф ф еренциальны м уравнением (3.27) Д л я практическ их расчетов, связанны х с о ц ен к ой самоочш цающ ей сп особн ост и рек и в о д о е м о в, в ряде случаев до п у ст и м о учитывать о с ­ н овной п р оц есс трансф орм ации в ещ еств а, п ренебрегая процессам и, им ею щ им и второстепенное значение.

Д л я м н о г и х органических вещ еств в ед у щ и м я вл яется пр оц есс б и о ­ х и м и ч еск ого превращ ения. К инетика этого процесса м о ж ет быть о п и ­ сана уравн ен и ем 1 -го п о р я д к а.

Т огда в интегральной ф о р м е сум м арны й проц есс сам оочищ ения при использовании коэф ф ициен та некон сервативности к д м о ж ет быть представлен сл едую щ и м просты м, но весьм а приближ енны м у р а в н е н и е м :

st = s0 exp[(kB1+kH +... + kH 2 n)t], (3.28) где Sq и s t — концентрации вещ ества соответственно в начальный мо* мент в р ем ен и и в м о м ен т t; коэф ф и ц и ен ты к н, обозначенны е значка­ ми 1, 2, п, отн осятся к едини чном у и з учиты ваемы х пр оц ессов п р е­ вращ ения вещ ества в в о д н о м о б ъ ек т е.

К онкретны е сп о со б ы учета распада загр я зня ю щ их вещ еств при рас­ чете загря зн ен и я и сам оочищ ения рассм атриваю тся в сл ед ую щ ем р а з­ дел е м онограф ии.



Pages:   || 2 | 3 | 4 |
Похожие работы:

«Міністерство освіти і науки України Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут" Мішкольцький університет (Угорщина) Магдебурзький університет (Німеччина) Петрошанський...»

«1 ПАЛЬЯККА. Весенняя программа 12.2. 2006 – 22.4.2006 и 11.2.2007 – 21.4.2007 ВОСКРЕСЕНЬЕ 10.00 Поездка на каньон "Пирункиркко". Продолжительность 2-3 час. Сначала: трансфер от коттеджей или гостиницы (протяженность 5 км). Продолжим путь пешком или на снегоступах вблизи каньона. Насладимся нетронутой природой: с чистыми р...»

«ЛИСТ ДАННЫХ ПО БЕЗОПАСНОСТИ В соответствии с директивой ЕС 91/155/EEC и последующими дополнениями Версия: 1.1 Дата ревизи: 17.02.2006 MOLYKOTE(R) L-0346FG HYDRAULIC OIL 1.ОПРЕДЕЛЕНИЕ СУБСТАНЦИИ/ПРЕПАРАТА И КОМПАНИИ/ПРОВОДЯЩЕЙ Торговое наименование : MOLYKOTE(R) L-0346FG HYDRAU...»

«ЕВРОПЕЙСКИЙ РЕГИОНАЛЬНЫЙ КОМИТЕТ ШЕСТЬДЕСЯТ ЧЕТВЕРТАЯ СЕССИЯ Копенгаген, Дания 15–18 сентября 2014 г. © gettyimages © WHO/Sara Barragn Montes © Fotolia План действий в области пищевых продуктов и питания на 2015–2020 гг. Европейский региональный комитет EUR/RC64/14 Шес...»

«Георгие Безвикони Манук-Бей Книга подготовлена к изданию трудами и попечением члена братии Первопрестольного Святого Эчмиадзина, Настоятеля Церкви Святой Богородицы г. Кишинева и Духовного Пастыря Армян Молдовы Иеромонаха Саака Шакаряна Сия книга по...»

«АННОТАЦИИ ДИСЦИПЛИН ПО ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ ПРОГРАММЕ 44.03.03 СПЕЦИАЛЬНОЕ (ДЕФЕКТОЛОГИЧЕСКОЕ) ОБРАЗОВАНИЕ НАПРАВЛЕННОСТЬ ДОШКОЛЬНАЯ ДЕФЕКТОЛОГИЯ ПРОГРАММА ПОДГОТОВКИ ПРИКЛАДНОЙ БАКАЛАВРИАТ Общая Индекс Наименование ди...»

«Муниципальное общеобразовательное учреждение средняя общеобразовательная школа № 9 станицы Советской муниципального образования Новокубанский район Приказ 14 января 2016 год № 18 О мерах по профилактике преступлений в отношении детей и жестокого обращения с ними, суицид...»

«АО "НПФ "РАДИО – СЕРВИС" ОКП 422160 Устройство испытательное ПН-20 РУКОВОДСТВО ПО ЭКСПЛУАТАЦИИ РАПМ.435151.001РЭ Настоящее руководство по эксплуатации (РЭ) предназначено для ознакомления с устройством и принципом работы устройства испытательного ПН-20 (в дальнейшем – устройство) и содержит сведения, необходимые дл...»

«Каталог старинных керамических пробок Составитель Попков С.А. 1 издание. Ростов-на-Дону 2015г. old_bottles@mail.ru Вместо предисловия Список сокращений Архангельск, Архангельской губернии, Сурков (АРХ-С) Астрахань, Астраханской губернии, Вейнер (АСХ-В) Астрахань, Астраханской губернии, Федоров (АСХ-Ф...»

«^ atlantk Уважаемый покупатель! RU Благодарим Вас за то, что Вы приобрели электроводонагреватель накопительного типа "Atlantic". Электроводонагреватели "Atlantic" разработаны и изготовлены в строгом соответствии с международными стандартами, гарантирующими надежность и безопа...»

«140 НАУЧНЫЕ ВЕДОМОСТИ | ': | Серия Гуманитарные науки. 2015. № 6 (203). Выпуск 25 УДК 371.71 ВЕДУЩИЕ ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ПОЛИТИКИ ЗДОРОВЬЕСБЕРЕЖЕНИЯ ДЕТЕЙ ШКОЛЬНОГО ВОЗРАСТА В ШВЕЦИИ В статье обосновываются ведущ ие тенденции с...»

«Дивно Дивенская Деревня упоминается в писцовой книге 1499 г. Под именем Дивно, современное название — очевидно, по речке Дивенке. По Ю. Трусману (1898 г.), лоп. dieva, фин. tieva (ср. фин. Tiuna) — "холм (в болоте)", "роща" — ср. г. Ругодив (ныне — Нарва). Более вероятно славянское...»

«МОУ Мочилкинская основная общеобразовательная школа №10 муниципального образования "Тереньгульский район" Ульяновской области п. Мочилки – 2012 г. Содержание 1.Заявка на участие в конкурсе. 1 2.Фотография класса...»

«mosmetod.ru ГОРОДСКОЙ МЕТОДИЧЕСКИЙ ЦЕНТР mosmetod.ru ГОРОДСКОЙ МЕТОДИЧЕСКИЙ ЦЕНТР Технология организации и проведения городских фестивалей детского и юношеского творчества "Эстафета искусств2017" и "Театральный Олимп 2017" 07 октября 2016 mosmetod.ru ГОРОДСКОЙ МЕТО...»

«Приложение к свидетельству № 48959 Лист № 1 об утверждении типа средств измерений всего листов 4 ОПИСАНИЕ ТИПА СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ Виброметры-балансировщики ЦБ-3 Назначение средства измерений Виброметры-балансировщики ЦБ-3 (далее прибор) предназначены для измерения среднего квадратического значения (СКЗ) виброскорости в диапазоне частот от 5...»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ" УТВЕРЖДАЮ Директор Института _ /Хорошавин В....»

«УДК 821.111(73) ББК 84(7Сое)-445 Х 68 Robin Hobb SHIP OF DESTINY Copyright © 2000 by Robin Hobb All rights reserved Перевод с английского Марии Семёновой Серийное оформление Виктории Манацковой Оформление обложки Сергея Шикина © М. Семёнова, перевод, 2017 © Издание на русском языке...»

«Начало работы Более подробные сведения см. в полном руководстве пользователя, поставляемом на компакт-диске "DIGITAL CAMERA Manuals Disk".• Перед началом работы с камерой обязательно ознакомьтесь с данным Руководством, включая раздел "Меры предостор...»

«1 Паспорт программы Адаптированная основная общеобразовательная программа Название Программы начального общего образования обучающихся с тяжёлыми нарушениями речи (вариант 5.2.) Тип Программы Адаптированная общеобразовательная программа с внедрением...»

«ВЕСТНИК ХНТУ № 3(50), 2014 г. УДК 620.179.14 В. В. ГЕРАСИМОВ Днепропетровский национальный университет им. О. Гончара ВЕРОЯТНОСТНАЯ СПЕКТРАЛЬНАЯ ДЕФЕКТОСКОПИЯ КОМПОЗИТОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ОКОННЫХ ФУНКЦИЙ Проведены...»

«АКАДЕМИЯ НАУК СССР ТРУДЫ ОТДЕЛА ДРЕВНЕРУССКОЙ ЛИТЕРАТУРЫ ИНСТИТУТА РУССКОЙ ЛИТЕРАТУРЫ XVI О. А. ДЕРЖАВИНА Развитие сюжета в переводной новелле XVII в. и его отражение в миниатюре Изучая древнерусскую литературу, некоторые исследователи подходят к ней...»

«1 Пояснительная записка Горные лыжи это современный и престижный вид спорта. Кроме того, это еще и один из самых популярных и полезных видов зимнего активного отдыха. Занятия горными лыжами...»








 
2017 www.kniga.lib-i.ru - «Бесплатная электронная библиотека - онлайн материалы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.