2.1 Гідрологічні розрахунки

У курсовій роботі ведеться розрахунок зміни БСК води при транспортуванні її відкритим каналом від водосховища до споживача. Канал складається з двох ділянок, що мають різні характеристики поперечного перетину та швидкісного режиму.

Знаючи швидкість на першій ділянці V₁, визначають тут витрату води: Q = V₁*ω₁, де ω₁ – площа живого перетину каналу на першій ділянці.

Для трапецієвидного каналу

ω = 0,5(В+b)*h = 0,5[(2*m*h+b)+b]*h [м²], де

b – ширина каналу по дну, м;

В – ширина каналу на рівні урізу води, м;

m – коефіцієнт закладення укосів каналу;

h – глибина води в каналі, м

Подібно розраховують живий перетин для інших ділянок каналу і, вважаючи витрату води сталою величиною, визначають швидкість на наступних ділянках каналу

V₂ = Q/ω₂ , V₃ = Q/ω₃

Знаючи швидкість течії та довжину кожної ділянки, можна визначити час проходження водою кожної ділянки:

t_i = L_i/V_i

2.2 Розрахунок балансу продукційно-деструкційних процесів у каналі.

2.2.1 Підсистема фітопланктону

Валова первинна продукція А₁ визначається на основі питомої продукційної здатності (а₁) і біомаси фітопланктону (В₁):

А₁ = а₁ ∙ В₁ (г О₂/ м³ ∙ с )

Питома продукційна здатність а₁ показує, скільки грамів кисню продукується одиницею біомаси (грамом) фітопланктону за секунду в процесі фотосинтезу (одночасно характеризує інтенсивність приросту біомаси самих водоростей). Вона залежить від складу і біомаси фітопланктону, а також сезону, який обумовлює рівень освітленості і температуру води. Максимальне значення а₁ спостерігається переважно біля поверхні води (а₁₀) в умовах оптимальної освітленості.

На інтенсивність процесу фотосинтезу впливає також концентрація біомаси водоростей в одиниці об’єму води – зі збільшенням біомаси питома продукційна здатність знижується. Тому величина а₁, а, отже і а₁₀ , є в оберненій криволінійній залежності від біомаси.

Величина а₁₀ розраховується за формулою:

а₁₀ = а_{10 max} ехр - (β₁В₁) [г О₂/г∙с], де

а_{10 max} - максимальне значення а₁₀ при мінімальному В₁, [г О₂/ г∙с];

β₁ - коефіцієнт, що залежить від сезону року і складу фітопланктону.

Значення а_{10 max} і β₁, отримані у результаті натурних спостережень на водоймах України, приведені у табл.1.

Таблиця 1

Параметри, що описують залежність продукційної здатності фітопланктону від його біомаси в каналах на оптимальній глибині

Сезон	Розрахунковий випадок		Діапазон зміни біомаси (В1), г/м3				Параметри
			min		max		а10 max , *10 –5 г О2/г с		β1
Літо	Помірний фітопланктон	0,07		7,0		3,00		0,30
Літо	Надходження синьозелених водоростей з водосховищ	0,20		25,0 (50,0)		1,00		0,05
Весна	Помірний фітопланктон	0,50		3,0		0,87		0,50
Весна, осінь	Масовий розвиток діатомових водоростей	2,0		30,0		1,74		0,06
Осінь	Помірний фітопланктон	0,01		1,0		0.46		0,98

Величина а₁₀ показує питому продуктивність фітопланктону в даний сезон при певній його біомасі на поверхні води. Інтенсивність фотосинтезу з глибиною зменшується через ослаблення водою сонячної енергії і зокрема ФАР.

Вплив глибини на умови продуктивних і деструктивних процесів зображують у вигляді епюр (рис.1).

0,65555555

1,0

h_k

h_ф

Рис.1. Епюра зміни з глибиною інтенсивності продукційних процесів в системі фітопланктону.

Біомаса фітопланктону по вертикалі в каналах розподіляється рівномірно. Питома продуктивність з глибиною зменшується до 0,65 а₁₀ на глибині компенсаційного горизонту (h_k) і до нуля на глибині фотичної зони (h_ф). Компенсаційний горизонт h_k – горизонт, де первинна продукція і деструкція органічної речовини зрівноважені. Глибина його переважно дорівнює подвоєній величині прозорості води за диском Секкі.. Глибина фотичної зони h_ф – глибина, до якої відбувається утворення первинної продукції.

Наступний етап – розрахунок питомої продукції для всієї фотичної зони. Для цього за допомогою епюри та даних про параметри русла каналу знаходимо коефіцієнт k_f1, який дозволяє перейти від попередньо розрахованого значення а₁₀ до середньозваженої для живого перетину в межах фотичної зони величини а_1ф. Коефіцієнт k_f1 розраховують в частках одиниці як площу епюри.

Коефіцієнт k_f1, як бачимо, це відношення питомої продуктивності а_1Е до її максимальної величини на оптимальній глибині а₁₀ (для фітопланктону – на поверхні води). Він відображає вплив геометричної форми перетину на величину продукційної здатності при фіксованому розташуванні компенсаційного горизонту. Його величина зменшується при переході від мілких і широких русел до вузьких і глибоких при постійній площі живого перетину.

На питому продуктивність а₁ впливає також мутність води (г/м³) через зміну положення компенсаційного горизонту (прозорості) і безпосереднього впливу на а₁₀. Останній вплив може бути врахований за допомогою коефіцієнта впливу мутності k_1МУТН, що є відношення величини питомої продуктивності на оптимальній глибині (яка залежить від мутності) до продуктивності при мінімальній мутності.

Даний коефіцієнт розраховується за формулою:

k_1МУТН = exp -(β^|₁ ∙ C_зав), де

C_зав – мутність потоку (г/м³)

На основі експериментальних даних β^|₁ = 0,02.

Отже, для фотичної зони з урахуванням коефіцієнтів форми і мутності питома продукційна здатність дорівнює:

а_1ф = а₁₀ ∙ k_f1 ∙ k_1МУТН [г О₂/ г∙с]

Всі вищенаведені розрахунки дозволяють визначити питому продуктивність фітопланктону у межах фотичної зони даного створу каналу при певних характеристиках русла та мутності потоку. Проте первинна продукція А₁ для порівняння її з деструкцією і оцінки розвитку евтрофування розраховується для всієї водної маси каналу, а не тільки для фотичної зони. Тому слід визначити коефіцієнт α₁ = ω₁/ω, де ω₁ – площа живого перетину у межах фотичної зони фітопланктону; ω – загальна площа живого перетину каналу.

Таким чином, питома продуктивність фітопланктону, що характеризує середнє значення цього показника для живого перетину русла каналу, і використовується для розрахунків валової первинної продукції дорівнює:

ā ₁ = а_1ф ∙ α

Первинна продукція для ділянки каналу

А₁ = ā ₁∙ В₁ [г О₂/ м³∙с]

Величина біомаси фітопланктону В₁ на початку каналу залежить від вмісту його в водосховищі в місці водозабору, де, у свою чергу, змінюється за сезонами року. Біомаса фітопланктону нерівномірно розподіляється по акваторії річки чи водосховища, тому значення В₁ варіює в залежності від місця водозабірної споруди і конструкції водозабірного вузла. Позаяк водорості концентруються в приповерхневих шарах води, біомаса фітопланктону залежить також від глибини розташування водозабірного отвору. Це явище використовується для зменшення надходження водоростей у канал. Відповідно біомаса В₁ у каналі дорівнює:

В₁ = (1 – ζ) ∙ В_1вод, де

В_1вод – біомаса в водосховищі;

ζ – коефіцієнт ефективності протипланктонних захисних заходів на водозабірному вузлі, може змінюватися від 0 до 1,0.

У розрахунках необхідно відобразити також вплив на біомасу фітопланктону швидкості течії і роботи напірних станцій.

Вплив швидкісного режиму враховується за допомогою коефіцієнта k_v. Якщо швидкість течії менша за лімітуючу або дорівнює їй, k_v приймається за 1 і поступово знижується (за лінійною залежністю) до 0,1 при критичній швидкості, що перешкоджає розвитку планктонних водоростей. На основі натурних спостережень встановлено такі градації швидкостей течії у залежності від складу фітопланктону (табл. 3)

Таблиця 3

Лімітуючі та критичні швидкості течії для фітопланктону

У фітопланктоні домінують водорості	Швидкість течії, м/с
	лімітуюча	критична
Діатомові	0,7	2,0
Зелені	0,5	1,5
Синьозелені	0,2	0,6

При проходженні через напірні станції частина планктонних водоростей гине. Вплив напірних станцій виражається таким емпіричним співвідношенням

В₁ = В₁’ exp -(β_нс ∙ h_нс), де

В₁’ – біомаса фітопланктону перед напірною станцією;

h_нс - напір напірної станції, м

β_нс – коефіцієнт, що описує залежність біомаси фітопланктону від напору, орієнтовно приймається:

при домінуванні синьо-зелених водоростей - 0,015

діатомових водоростей - 0,005.

Деструкція R₁ органічної речовини планктонної підсистеми.

Тут слід мати на увазі наступне: через те, що зоопланктон в штучних водостоках розвинутий слабо і його дихання складає 2-3% від загального дихання планктону, деструкція за рахунок зоопланктону розглядається разом з бактеріальною і позначається як гетеротрофна (R_1г ). Отже

R₁ = R_1в + R_1г (г О₂/ м³ ∙ с)

У свою чергу

R _1г = k_1г∙ БСК_повне, де

k_1г – коефіцієнт, що залежить від концентрації органічної речовини, а отже БСК_{повного} (г О₂/м³ ) і визначається:

k_1г = k_{1г max} exp -(β_1г ∙ БСК_повне).

При температурі 20 ^оС k_{1г max} = 0,25 ∙ 10^-5 с^-1 , β_1г = 0,07.

У відкритих водоймах переважно наявність кисню достатня для протікання деструкційних процесів; у закритих водоймах слід вводити поправку до k_1г у залежності від концентрації розчиненого кисню.

Дихання фітопланктону розраховується за формулою:

R_1в = r_1в ∙ В₁, де

r_1в - питоме дихання планктонних водоростей, (г О₂/г ∙ с).

Питоме дихання фітопланктону не залежить від величини біомаси і визначається складом планктону, обумовленого температурою води, яка може бути виражена зміною величини r_1в за сезонами (табл. 4)

Позаяк дихання (як водоростей, так і гетеротрофне) відбувається у всій товщі води в каналі, нема необхідності вводити коефіцієнт α₁ , тобто він дорівнює 1.

Таблиця 4

Розрахункові показники питомого дихання фітопланктону ( 10 ^–5 г О₂/г ∙ с)

Характеристика фітопланктону	Весна	Літо	Осінь
Помірний розви- ток, змішаний склад	0,02	0,05	0,03
Масовий розвиток водоростей:
Діатомових	0,05	-	0,03
Синьозелених	-	0,09	-