книги из ГПНТБ / Зак, Г. Л. Самоочищение водоемов основы рационализации гидрологических и санитарно-технических расчетов

Для рассматриваемого года среднегодовая температура во­

нимальная прозрачность относится к весеннему паводку. Наибо­ лее прозрачной бывает вода в период ледостава, начиная от осенних заморозков, когда дожди уже прекратились и питание реки происходит только за счет подземных вод. чистых благода­ ря фильтрации их через грунт.

Отдельные оттепели в рассматриваемом году начались рано: 14 февраля прозрачность воды в реке упала с 230 до 132 см, что

должно указывать на быстрое снеготаяние и сильный смыв та

дыми водами поверхностного слоя почвы.

Данные о взвешенных веществах неполные, тем не менее представляют интерес. Как и следовало ожидать, максимальное количество взвеси 162,0 мг/л относится к концу апреля. Мини­ мум взвеси 0,4 мг/л падает на зимние месяцы: декабрь, фев­ раль, когда река находится подо льдом и имеет одно только грунтовое питание. В марте какие-то сдвиги в таянии льда и в стоке поверхностных вод уже намечаются, так как количество взвеси с 0,4 увеличивается до 6,1 мг/л.

Данные на март свидетельствуют о том, что эта взвесь чисто минерального происхождения, без примеси органики. Данные о весеннем стоке за апрель также показывают, что взвесь почти на 95% исключительно минеральная. Большой процент (около

25%) органических загрязнений падает на летнее время, когда дожди смывают с полей и огородов детрит и прогнившие части­ цы почв.

О минеральном составе растворенных в воде веществ дает представление плотный остаток, среднегодовое количество кото­ рого 220,6 мг/л. Как отмечалось выше, самое большое количест­

во плотного остатка наблюдается в зимние месяцы: декабрь —

январь (272—288,8 мг/л), его минимум (86,8—105 лг/л) падает

•на весенний паводок, когда в реку стекают в основном поверх

ностные талые воды, почти лишенные растворенных веществ.

Плотный остаток в значительной степени состоит из окиси кальция (около 30%), что составляет в среднем за год 80,6мг/л.

Меньше содержится в плотном остатке магния 24,8 мг/л (в

пересчете на MgO). Максимальное количество окиси магния (28,8 мг/л) относится к зимним месяцам, минимум совпадает с весенними паводками. Во все последующие месяцы количество окиси магния остается почти стабильным (27,0—29,0 мг/л).

Количество кремния в составе местных грунтов достигает весьма большой величины и значительно превосходит все прочие элементы. Однако растворимость кремния в воде невелика,

11

поэтому содержание окиси кремния в плотном остатке воды в

весьма невелико и составляет в среднем за год 2,1 мг/л. Среднее за год количество нитратного азота равно 0,26 мг/л,

максимальное падает на январь — февраль (0,73—1,04 мг!л}, что объясняется большим притоком подземных вод и полным от­ сутствием потребления азота водной растительностью.

В вегетационный период количество нитратного азота падает до 0,03 0,05 мг!л, поскольку азот расходуется на питание реч­ ной флоры. Данные о биохимической потребности в кислороде (ВПК) дают представление о загрязненности воды органически­ ми соединениями и о количестве кислорода, необходимом для их

окисления и минерализации. Среднегодовая ВПК, равная 1,2 мг/л, указывает на сравнительно небольшое загрязнение ре­

ки органическими веществами. Максимальная величина ВПК относится к зимним месяцам (2,4 лгг/л), а минимальная (0,4— 0,5 Л1г/л) наблюдается в середине октября. Все органические вещества шли до этого времени на рост речных растений и еще не накапливались в воде водоема.

Приведенная в анализах жесткость воды обусловливается наличием солей щелочно-земельных металлов. Общая жесткость состоит из устранимой, или карбонатной, и постоянной жестко­ сти (щелочно-земельные соли минеральных кислот и раствори­ мые в воде карбонаты магния и частично кальция).

Величина жесткости воды связана с наличием щелочно-зе

мельных солей, вымываемых подземными водами из грунтов, и зависит от соотношения количества подземных вод и вод самого водоема. Максимальная жесткость (13—14°) соответствует наи­

меньшему количеству речной воды и наблюдается в ноябре — январе. Наименьшая жесткость (3,2—3,8°) как и следовало ожи­ дать, совпадает с весенним паводком, когда расход талых по­ верхностных вод несоизмеримо велик по отношению к подземно­ му стоку. В остальное время года жесткость почти стабильна и

лежит в границах 10—12°.

Сведения о свободной углекислоте неполны. Подо льдом ко­ личество свободной углекислоты значительно, оно возрастает с

7,3—7,7 мг/л в январе до 10,2 мг/л к началу марта. Количество СО2 снижается к маю до 2,9 мг/л. В последующие месяцы содер­ жание свободной углекислоты падает еще более резко.

Среднее за год количество растворенного в воде кислорода равно 7,1 мг/л. К весне количество кислорода растет и достига­ ет 9,1 мг/л, а летом снижается примерно до 6,8 мг/л. Во время осенних паводков и дождей, воды которых обильно насыщены

кислородом воздуха, содержание кислорода скачкообразно под­

нимается. достигая 9,8 мг/л. Подо льдом количество кислоро­ да быстро уменьшается.

12

Глава вторая

МЕТОДИКА ГИДРОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИИ

ИРАСЧЕТОВ

3.Основы гидрологических расчетов по методам математической

статистики и теории вероятности

Промышленные сточные воды, не используемые в производ­ стве, сбрасываются в ближайший открытый водоем.

Для правильного решения вопроса о возможности спуска

сточных вод и степени их очистки следует знать режим расходов

воды в водоеме. Необходимо, чтобы количество сточных вод не

превышало той допустимой по загрязнениям нагрузки, которую водоем в состоянии принять в соответствии с санитарными нор­ мами и требованиями рыбной инспекции. В ряде случаев из-за

отсутствия достаточных наблюдений за водоемом расходы воды в нем приходится определять. Эпизодический замер расхода во ды в водоеме при этом мало чем поможет. Дело заключается в изучении общего гидрологического режима данной реки в опре деленном ее пункте.

Сточки зрения надежности расчетов смешения сточных вод

сречной водой следовало бы принимать расход 100-процентной обеспеченности, т. е. абсолютно минимальный расход воды в водоеме. Однако это было бы чрезвычайно сложным случаем, требующим излишних затрат на осуществление мероприятий по

очистке сточных вод. Поэтому в обычной практике считаются с расходами 95% обеспеченности, которые и определяются для последующих расчетов по смешению.

Современные гидрологические расчеты речных расходов ос

является площадь бассейна, прилегающая к расчетному створу

водоема, определяемая при помощи топографических карт и

планшетов, на которых рельеф местности показан горизонталь­ ными линиями или штриховкой с соответствующими абсолютны­ ми отметками.

Следующей исходной величиной расчета является средняя многолетняя норма (модуль) стока Af0, выраженная в литрах в секунду на квадратный километр. Числовые значения ее опре­ деляются ориентировочно для любого пункта СССР при помощи

соответствующей карты (см. приложение XXXVIII).-

13

убывает. Только районы Урала и юго-востока Европейской ча сти СССР не совсем подчиняются этой закономерности. Для Азиатской части СССР норма стока увеличивается в направле­

нии с севера на юг (6,0—50,0 л/сек -км2) и с запада на восток

(6,0—15,0 л/сек - км2).

Норма стока не дает представления о колебаниях стока по го­ дам, не говоря уже о внутригодовых изменениях.

Колебания годового стока могут быть определены путем при­ менения кривых вероятности и кривых обеспеченности.

Ординату кривой вероятности находят обычно по методу Фостера, для чего необходимы три числовых параметра, опреде­ ляющие вид кривой в каждом частном случае. Эти параметры следующие: норма стока Af0, о которой было сказано выше;

коэффициент вариации Cv и коэффициент асимметрии Cs.

Коэффициентом вариации называется отношение среднеквад­

ратичного отклонения о к среднеарифметическому значению Мо. Величина этого отклонения определяется следующим образом. Из имеющихся наблюдений принимается ряд значений среднего­ довой нормы стока за определенное число лет, на основании ко­ торых определяется среднеарифметическая величина АД (чт0?

в частных случаях более точно, чем по карте). Далее, соответст­

венно по годам устанавливаются модульные коэффициенты

где М — среднегодовая норма стока за данный год.

Величину среднеквадратичного отклонения находят по фор­ муле

где К — число лет наблюдений.

Коэффициент вариации, таким образом, будет равен

(4)

Коэффициент асимметрии выражается следующей формулой:

£(К-1)3

(5)

14

Найденные значения коэффициента вариации позволяют вести расчет с практически достаточной степенью точности. Так,

например, при А= 10, т. е. при десятилетнем наблюдении,

ошибка лежит в пределах 23—26%, а при N=50 — в пределах

10—12%.

Вычисление коэффициента асимметрии требует более продол­

жительных наблюдений. Так, при А=10 среднеквадратичная ошибка при определении Cs достигает 75%; при N-20 она рав­ на 55% и при Л7= 100 равна 24,5%.

Вследствие практической невозможности определить коэффи­ циент асимметрии аналитически по формуле (5) его обычно нахо­ дят эмпирически в виде кратного отношения к Cv. Принимают Cs — 2С„. Этим равенством и можно пользоваться в дальнейшем.

Поскольку для вычисления коэффициента вариации, особенно при работах небольшого значения, соответствующих материалов в наличии не оказывается, его определяют по некоторым эмпири­ ческим формулам.

На основании данных по 24 рекам Европейской части СССР

проф. Д. Л. Соколовским предложена формула для определения коэффициента вариации Сг„ учитывающая общие географичес­ кие условия исследуемого района

где: а — географический коэффициент, значение которого опреде ляется особой картой изолиний (см. приложе­ ние XXXVIII);

F — площадь водосбора в км?.

Средняя ошибка для 24 исследуемых рек получилась равной

±6%, а наибольшая +24%.

Далее, можно указать на формулу К. Д. Антонова, ,в которой

Формула К. Д. Антонова получена на основании материалов по 72 бассейнам; среднеквадратичное отклонение по ней состав­ ляет 6,6%. Наконец, С. Н. Крицкий и М. Ф. Менкель находят коэффициент вариации С„ по площади водосбора и норме сто­ ка по следующей формуле:

_ 0+3— (8)

v ~ F°-0SM0°-”

Ввиду сравнительной сложности подсчета коэффициента ва­ риации по указанным выше трем формулам, автором составлены соответствующие номограммы (см. приложения X, XI и XII).

15

Эти номограммы весьма (просты и составлены следующим об­ разом.

По оси абсцисс в логарифмическом масштабе отложены пло­ щади бассейнов стока в км2, по оси ординат — значения коэффи­ циента вариации. Кривые на поле номограмм в зависимости от вида формулы дают значение географического коэффициента,

дефицита влажности или нормы стока. По данной площа ди бассейна от оси абсцисс восстанавливается перпендикуляр до соответствующей кривой и от точки пересечения проводится гори­ зонталь до оси ординат, где отсчитывается значение коэффициен­ та вариации. В целях повышения точности определения послед­ него можно принимать значение Cv для данного района как среднее по трем номограммам.

Как уже указывалось, вычисление ординат кривой обеспечен­

ности производится по методу Фостера при помощи составленной им таблицы.

Таблица Фостера была проверена С. И. Рыбкиным, который внес в нее ряд весьма ценных дополнений. В окончательно ис­ правленном виде таблица дана в приложении I. Таблица состав­ лена для С„ = 1,0, Cs —в пределах 0—2,0 и обеспеченностей в пределах 0,01—99,9%.

В целях ознакомления с методикой пользования данной таб­ лицей, ниже определяются среднегодовые расходы р. Пахры в створе ст. Макарово, соответствующие обеспеченностям 0,1; 1; 5; 20; 95 и 99,9%. Бассейн р. Пахры, правого притока р. Москвы, в створе ст. Макарово равен 1820 км2. Норма стока для данного района 6 л/сек -км2.

Для определения среднегодового расхода при указанных вы­ ше обеспеченностях прежде всего требуется найти коэффициент вариации. Пользуясь номограммой по формуле проф. Д. Л. Соко­

ловского (смприложение X) и учитывая, что географический

Определение ординаты кривой обеспеченности и среднегодо­ вых расходов сводятся в таблицу (см. табл. 3).

Числовые значения первой строчки берутся путем простейшей

интерполяции из приложения I.

Данные второй строчки получаются из данных первой путем

умножения на поправочный коэффициент

K=CVC' = ^- = 0,327. v v 1,0

16

Таблица 3

'Данные третьей строчки получаются из данных второй путем прибавления к ним единицы. Далее, данные четвертой строчки получаются из данных третьей путем умножения их на норму сто­ ка (6 л/сек) и пятой строчки — умножением полученной величи­ ны на F бассейна, т. е. на F = 1820 км2. Таким образом,

среднегодового стока любой местности СССР составлена номо­ грамма (см. приложение XIII).

По оси абсцисс показаны площади бассейнов стока. Прямы­

ми, имеющими наклон слева направо, обозначены ординаты кри­ вых обеспеченности К, изменяющиеся от 0,05 до 1,5. Прямыми,

имеющими противоположный наклон, показаны нормы стока, ле­ жащие в пределах 0,5—25,0. На верхней горизонтали нанесены расходы воды ib м3!сек.

Пусть требуется определить среднегодовой расход реки, бас­ сейн которой равен Е = 21 000 км2, если известно, что ординаты кривой обеспеченности равны К = 0,1, а норма стока /Ио = = 20 л]сек -км2. Отыскав на линии абсцисс точку, соответствую­ щую площади бассейна 21 500 м2 и восстановив из нее вертикаль до встречи с наклонной /(=0,1, получим точку, из которой прово­

дим горизонталь до встречи с наклонной Мо, соответствующей

20,0. Если из точки пересечения этих двух линий опустим пер­ пендикуляр на верхнюю горизонталь, то получим точку, соответ­ ствующую 0,=м31сек.

Помимо среднегодовых расходов, нас интересует внутригодо­ вое распределение стока, которое отличается весьма большим

разнообразием в зависимости от широты местности и ее климати­

приходится на время весеннего снеготаяния. При продвижении с севера на юг наблюдаются увеличение удельного стока весен­ них талых вод и уменьшение стока летне-осеннего периода и од­ новременно общее понижение среднегодовой величины стока за счет испаряемости в теплое время года. Следует отметить влия­

ние на общую величину стока лесных массивов, способствующих более равномерному его распределению.

По Д. Л. Соколовскому, внутригодовой сток может быть ус­ тановлен в зависимости от следующих режимов половодья:

1)реки с весенними паводками;

2)реки с весенними и летними паводками;

3)реки с летними паводками;

4)реки с круглогодичными паводками;

5)реки с паводками в осенне-зимний период.

Реки с весенним половодьем наиболее характерны для терри тории СССР. Через них в период весеннего паводка проносится от 50 до 80% всего годового объема воды. Второй небольшой максимум падает на осенние паводки. Остальная часть года ха­ рактеризуется меженями, совпадающими с осенним и зимним се­ зонами. К этому типу принадлежат реки в бассейнах Волги, Дне­ пра, Оки и ряд рек Азиатской части Союза.

Реки с весенними и летними паводками располагаются в пред­ горных районах Кавказа, Средней Азии и Карпат. Летние павод­ ки связаны с таянием ледников в самое жаркое время года.

Примером таких рек являются реки: Сунжа у г. Грозного,

Левса (Средняя Азия) и Колыма (Восточная Сибирь).

Реки, отличающиеся исключительно летними паводками, рас­ полагаются в горных районах Кавказа, Средней Азии и Дальнего Востока. К ним относятся Терек, Зеравшан, Биджан и другие.

Периодические паводки в течение всего года наблюдаются на Кавказских реках—Сочи, Хоста и Риони,—где расходы в от­ дельные месяцы немногим отличаются друг от друга и где ве сеннего паводка из-за отсутствия снега не бывает.

Наконец к рекам с паводками в осенне-зимнее время следует отнести реки Ленкоранского района, а также реки Южного бере­ га Крыма, где пиковые расходы обязаны своим происхождением обильным осадкам в осенне-зимнее время и почти полному от­ сутствию испаряемости.

Распределение стока по месяцам в процентах от среднегодо­ вого стока в зависимости от режима наступления половодья при­ водится в таблицах (см. приложения II—VII). Реки Европей­ ской части Союза там разделяются на (крупные и мелкие.

Распределение внутригодового стока по месяцам можно также

производить по данным какого-либо аналога, для которого эти данные уже имеются. В качестве аналога обязательно следует

брать реку, находящуюся в тех же климатических и.географичес­ ких условиях и имеющую примерно тот же бассейн.

Для санитарно-технических расчетов по самоочищению водо­

1S