Гідравлічні процеси формування якості води

У водотоках істотну роль у формуванні якості води виконує конвективне перенесення. Для водоймищ цей процес характерний тільки за наявності яскраво виражених стічних течій (водосховища, проточні озера). В цьому випадку хід внутріводойомних процесів багато в чому визначається ступенем проточності водоймища. Кількісною характеристикою ступеня проточності є час водообміну, тобто період, за який відбувається повна заміна води водоймища водами притоків. Найчастіше в інженерній практиці використовується поняття умовного часу водообміну:

Т_умов =W/Q_вит

де W- об'єм водоймища, м³; Q_вит - витрата витікаючої з водоймища води, м³/год.

Умовний час водообміну визначає період водообміну за відсутності змішування вод притоку з водою водоймища. У реальних умовах в проточних водоймищах відбувається не тільки витіснення води, але і часткове (або повне) перемішування вод притоку з водою водоймищ, тому реальний час водообміну більше, ніж умовний.

Реальні водотоки є безнапірними турбулентними потоками, рух води в яких в сталих умовах має нерівномірний характер. Проте розрахункові залежності для нерівномірних потоків достатньо складні і незручні в практичному використовуванні. Тому в інженерно-екологічних розрахунках приймають, що на окремих ділянках водотоків рух води має рівномірний характер.

Складнішою задачею є облік ефекту турбулентності. Відмінною рисою турбулентного режиму течій є пульсація швидкостей, тобто безперервна їх зміна в кожній крапці потоку по величині і напряму. Основними джерелами виникнення турбулентності є зони розриву швидкостей, тобто такі області, де спостерігається різкий стрибок швидкостей між прилеглими шарами рідини. Пульсаційний рух обумовлює обмін між сусідніми шарами рідини. Цей процес одержав назву турбулентного перемішування. Турбулентне перемішування завжди направлене на вирівнювання концентрацій або температур. Оскільки цей процес по своєму результату аналогічний процесу молекулярної дифузії, те турбулентне перемішування називають також турбулентною дифузією. Від молекулярної дифузії цей процес відрізняється природою (джерело молекулярної дифузії - тепловий рух молекул, а турбулентної - пульсація швидкостей) і масштабом.

Турбулентна дифузія приводить до перемішування забруднених потоків рідини із суміжними, чистішими. Результатом цього процесу є розбавлення стічних вод основним потоком. Розбавлення діє однаково як на консервативні, так і на неконсервативні речовини. Інтенсивність і характер перемішування стічних вод з водою водних об'єктів залежить від гідравлічних характеристик водного об'єкту, кількості і способу надходження стічних вод. Спосіб надходження стічних вод визначається типом випуску.

Найменш ефективними з погляду розбавлення є берегові випуски. Більш ефективні руслові випуски (далі від берега). Вони представляють собою трубопроводи, що виводяться безпосередньо в русло в місцях найінтенсивнішої течії. Найефективнішим типом руслового випуску є розсіюючий випуск( труборозподілювач), що має декілька випусків, розташованих уздовж труби.

Для кількісної оцінки процесу розбавлення використовують різні методи. До числа вживаються відносяться метод Фролова-Родзіллера - для водотоків, метод Руффеля - для водоймищ і метод Караушева, що мають універсальний характер.

Метод Фролова-Родзіллера дає можливість визначити концентрацію речовини в максимально забрудненому потоці на заданій відстані від випуску стічних вод по формулі:

де С_мах - концентрація речовини в максимально забрудненому потоці, г/м³; С_ф - концентрація речовини у воді вища за випуск стічних вод (фонова концентрація), г/м3; С_ст- концентрація речовини в стічній воді, г/м³; n - кратність розбавлення стічних вод на заданій відстані від випуску.

Кратність розбавлення стічних вод визначається як добуток основного і початкового розбавлення:

п = п₀*п_н

де n - кратність розбавлення, n_о- кратність основного розбавлення, n_н - кратність початкового розбавлення.

Метод Руффеля використовується для оцінки розбавлення стічних вод, що скидаються через поглиблені зосереджені випуски у водоймища з переважаючою вітровою течією. Метод Караушева базується на рівнянні турбулентної дифузії. Він дозволяє одержати просторову картину розподілу концентрації для будь-яких типів водних об'єктів. Самоочищення водних об'єктів

Між компонентами водної екосистеми в процесі її функціонування безперервно відбувається обмін речовиною і енергією. Цей обмін носить циклічний характер різного ступеня замкнутості, супроводжуючись трансформацією речовини під впливом фізичних, хімічних і біологічних чинників. В ході трансформації може відбуватися поступове розкладання складних речовин до простих, а прості речовини можуть синтезуватися в складні. Залежно від інтенсивності зовнішньої дії на водну екосистему і характеру протікання процесів відбувається або відновлення водної екосистеми до фонових станів (самоочищення), або водна екосистема переходить до іншого стійкого стану, який характеризуватиметься вже іншими кількісними і якісними показниками біотичних і абіотичних компонент. У випадку, якщо зовнішня дія перевищить саморегулюючі можливості водної екосистеми, може відбутися її руйнування. Самоочищення водних екосистем є наслідком здатності до саморегулювання. Надходження речовин із зовнішніх джерел є дія, якій водна екосистема здатна протистояти в певних межах за допомогою внутрішньосистемних механізмів. У екологічному значенні самоочищення є наслідком процесів включення поступивших речовин в біохімічні кругообіги з участю біоти і чинників неживої природи. Кругообіг будь-якого елементу складається з двох основних фондів - резервного, утвореного великою масою (поволі змінюючого компонент), і обмінного (циркуляційного), який характеризується швидким обміном між організмами і середовищем їх існування. Всі біохімічні кругообіги можна розділити на два основні типи - з резервним фондом в атмосфері (наприклад, азот) і з резервним фондом в земній корі (наприклад, фосфор).

Самоочищення природних вод здійснюється завдяки залученню поступаючих із зовнішніх джерел речовин в процеси трансформації, що безперервно відбуваються, в результаті яких речовини, що поступили, повертаються до свого резервного фонду.

Трансформація речовин є результат різних одночасно діючих процесів, серед яких можна виділити фізичні, хімічні і біологічні механізми. Величина внеску кожного з механізмів залежить від властивостей домішок і особливостей конкретної екосистеми.

Фізичні механізми самоочищення. Газообмін на межі розділу "атмосфера-вода". Завдяки цьому процесу, здійснюється поступання у водний об'єкт речовин, що мають резервний фонд в атмосфері, і повернення цих речовин з водного об'єкту до резервного фонду. Одним з важливих окремих випадків газообміну є процес атмосферної реаерації, завдяки якому відбувається надходження у водний об'єкт значної частини кисню. Інтенсивність і напрям газообміну визначаються відхиленням концентрації газу у воді від концентрації насичення С_s. Величина концентрації насичення залежить від природи речовини і фізичних умов у водному об'єкті - температури і тиску. При концентраціях більших С_s, газ випаровується в атмосферу, а при концентраціях, менших С_s, газ поглинається водною масою.

Сорбція - поглинання домішок зваженими речовинами, донними відкладеннями і поверхнями тіл гідробіонтів. Найбільше сорбують колоїдні частинки і органічні речовини, що знаходяться в недисоційованому молекулярному стані. У основі процесу лежить явище адсорбції. Швидкість накопичення речовини в одиниці маси сорбенту пропорційна його ненасиченості по даній речовині і концентрації речовини у воді і обернено пропорційна вмісту речовини в сорбенті. Прикладами нормованих речовин, схильних до сорбції, є важкі метали і СПАР.

Осадження і змутнення. Водні об'єкти завжди містять деяку кількість зважених речовин неорганічного і органічного походження. Осадження характеризується здатністю зважених частинок випадати на дно під дією сили тяжіння. Процес переходу частинок із донних відкладень в зважений стан називається змутненням. Він відбувається під дією вертикальної швидкості турбулентного потоку.

Хімічні механізми самоочищення. Фотоліз - перетворення молекул речовини під дією поглинаючого ними світла. Окремими випадками фотоліза є фотохімічна дисоціація - розпад частинок на декілька простіших і фотоіонізація - перетворення молекул в іони. Із загальної кількості сонячної радіації порядка 1% використовується у фотосинтезі, від 5% до 30% відображається водною поверхнею. Основна ж частина сонячної енергії перетвориться в тепло і бере участь у фотохімічних реакціях. Найдієвішою частиною сонячного світу є ультрафіолетове випромінювання. Ультрафіолетове випромінювання поглинається в шарі воді завтовшки порядка 10 см, проте завдяки турбулентному перемішуванню може проникати і в глибші шари водних об'єктів. Кількість речовини, що піддалася дії фотоліза, залежить від виду речовини і його концентрації у воді. З речовин, що поступають у водні об'єкти, відносно швидкому фотохімічному розкладанню піддаються гумусні речовини.

Гідроліз - реакція іонного обміну між різними речовинами і водою. Гідроліз є одним з провідних чинників хімічного перетворення речовин у водних об'єктах. Кількісною характеристикою цього процесу є ступінь гідролізу, під якою розуміють відношення гидролізованої частини молекул до загальної концентрації солі. Для більшості солей вона складає декілька відсотків і підвищується із збільшенням розбавлення і температури води. До гідролізу схильні і органічні речовини. При цьому гідролітичне розщеплювання найчастіше відбувається по зв'язку атома вуглецю з іншими атомами.

Біохімічне самоочищення є слідством трансформації речовин, здійснюваної гідробіонтами. Як правило, біохімічні механізми вносять основний внесок в процес самоочищення і лише при пригнобленні водних організмів (наприклад, під дією токсикантов) істотнішу роль починають виконувати физико-хімічні процеси. Біохімічна трансформація речовин відбувається в результаті їх включення в трофічні ланцюги і здійснюється в ході процесів продукції і деструкції.

Особливо важливу роль виконує первинна продукція, оскільки вона визначає більшість внутрішньоводневих процесів. Основним механізмом новоутворення органічної речовини є фотосинтез. У більшості водних екосистем ключовим первинним продуцентом є фітопланктон. В процесі фотосинтезу енергія Сонця безпосередньо трансформується в біомасу. Побічним продуктом цієї реакції є вільний кисень, утворений за рахунок фотоліза води. Разом з фотосинтезом в рослинах йдуть процеси дихання з витратою кисню.

Автотрофная продукція і гетеротрофная деструкція - дві найважливіші сторони перетворення речовини і енергії у водних екосистемах. Характер і інтенсивність продукційнр-деструкційних процесів і, отже, механізм біохімічного самоочищення визначаються структурою конкретної екосистеми. Тому вони можуть істотно розрізнятися в різних водних об'єктах. Більш того, в межах одного водного об'єкту існують різні зони життя (екологічні зони), відмінні сукупності населяючих їх організмів. Ці відмінності обумовлені зміною умов існування при переході від поверхні до глибини і від прибережних зон до відкритих частин.

У водотоках через інтенсивне перемішування і невеликі глибини вертикальна зональність не виражена. По живому перерізу потоку розрізняють ріпаль - прибережну зону і медіаль - відкриту зону, відповідну потоку річки. Для ріпалі характерні невисокі швидкості течії, заросли макрофітів, високі значення кількісного розвитку гідробіонтів. У медіалі швидкості руху води вище, кількісний розвиток гідробіонтів нижчий. За повздовжнім профілем розрізняють зони плесів і зони перекатів. У зоні плесів, що характеризуються сповільненою течією, заселення живих організмів кількісно багатше, але якісно бідніше. Для перекатів характерна зворотна картина.

Комплекси екологічних умов позначаються на процесах самоочищення у водотоках. Для сповільнених течій характерні сприятливі умови для фотосинтезу, інтенсивні процеси трансформації речовин, процеси осадження. Для зон з підвищеними швидкостями характерні інтенсивні процеси перемішування, газообміну і деструкції речовин.

У водоймищах екологічна зональна виявляється чіткіше ніж у водотоках. У водоймищах за горизонтальним профілем виділяють літораль – прибережна зона (мілка) і пелагіаль (лімнічеська зона) - зону відкритої води. У глибоких водоймищах у водній масі пелагіалі по вертикалі виділяють три зони - епілімніон, металімніон і гіполімніон. Металімніон, є зоною, що розділяє епілімніон і гиполімніон. Він характеризується різким зниженням температури води (1 градус на 1 м глибини). Вище металімніона розташований епілімніон. Для епілімніона характерне переважання продукційних процесів. Із збільшенням глибини, у міру зниження фотосинтетично активної радіації (ФАР) відбувається зменшення інтенсивності фотосинтезу. Глибина, при якій продукція стає рівній деструкції, називається компенсаційним горизонтом. Вище за нього розташовується трофогенна зона, де переважають продукційні процеси, а нижче - трофолітична, де переважають процеси дихання і розкладання. Трофогенна зона знаходиться в епілімніоне, а трофолітична, як правило, охоплює металімніон і гіполімніон.

У придонній зоні водоймищ, , виділяють профундаль - глибоководну частину, приблизно співпадаючу з частиною ложа водоймища, заповненої водами гіполімніона.

Таким чином, у водоймищах можна виділити зони з переважанням фотосинтетичної продукції і зони, де йдуть тільки процеси деструкції речовин. У гіполімніоне, особливо в зимовий і літній періоди, часто спостерігаються анаеробні умови, що знижує інтенсивність процесів самоочищення. Навпаки, в літоралі температурний і кисневий режими сприятливі для інтенсивного протікання процесів самоочищення.

Евтрофікація, під якою розуміють гіперпродукцію органічної речовини у водному об'єкті під дією зовнішніх (аллохтонних) і внутішньоводневих (автохтонних) чинників, є однією з серйозних екологічних проблем, з якою стикаються майже всі розвинені країни. До евтрофікації схильні практично будь-які водні об'єкти, проте найяскравіше вона виявляється у водоймищах. Евтрофікація водоймищ є природним процесом, його розвиток оцінюється геологічним масштабом часу. В результаті антропогенного надходження біогенних речовин у водні об'єкти відбулося різке прискорення евтрофікації. Підсумком цього процесу, званого антропогенною евтрофікацією, є зменшення тимчасового масштабу евтрофікації від тисяч років до десятиліть. Особливо інтенсивно процеси евтрофікації протікають на урбанізованих територіях, що зробило їх однією з найхарактерніших ознак, властивих міським водним об'єктам

Трофність водного об'єкту відповідає рівню надходження органічної речовини або рівню його продукування в одиницю часу і, таким чином, є виразом сумісної дії органічної речовини, що утворилася при фотосинтезі і поступила ззовні. По рівню трофності виділяють два крайні типи водних об'єктів – оліготрофні і евтрофні. Основні відмінності цих двох типів водних об'єктів наведені в табл.

Таблиця 3.14. Характеристики оліготрофного і евтрофного водоймищ

	Стан водоймища
	оліготрофне	евтрофне
Физико-хімічні характеристики
Концентрація розчиненого кисню у гіполімніоні	Висока	Низька
Концентрація біогенних елементів	Низька	Висока
Концентрація зважених речовин	Низька	Висока
Проникнення світла	Хороше	Погане
Глибина	Велика	Невелика
Біологічні характеристики
Продуктивність	Низька	Висока
Різноманітність видів гідробіонтів	Невелике	Велике
Фітопланктон: біомаса добові міграції цвітіння характерні групи
	Невелика Інтенсивні Рідкісне Диатомові, зелені водорості	Велика
		Обмежені
		Часте Зелені, синьозелені водорості

Основним механізмом природного процесу евтрофікації є замулювання водоймищ. Антропогенна евтрофікація відбувається внаслідок надходження у воду надмірної кількості біогенних елементів, як результат господарської діяльності. Високий вміст біогенів стимулює автотрофну гіперпродукцію органічної речовини. Результатом цього процесу є цвітіння води унаслідок надмірного розвитку альгофлори. Серед поступаючих у воду біогенних елементів найбільший вплив на процеси евтрофікації здійснюють азот і фосфор, оскільки їх вміст і співвідношення регулює швидкість первинного продукування. Решта біогенних елементів, як правило, міститься у воді в достатніх кількостях і не робить впливу на процеси евтрофікації. Для озер лімітуючим елементом найчастіше є фосфор, а для водотоків - азот.

Екологічний стан більшості водоймищ ( зокрема ефтрофіювання водойм) залежать в загальному визначається планктоном і залежить від ряду фізичних (освітлення, температура, швидкість потоку), хімічних розчинений кисень, біогенні елементи), біологічних факторів.