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

емов важное значение приобретает определение расхода воды

(95% обеспеченности) по маловодным месяцам года (в соот­ ветствии с санитарными нормами).

В целях облегчения расчетов по определению расходов воды 95% обеспеченности для маловодного месяца составлена номо­ грамма (см. приложение XIV).

По оси абсцисс номограммы откладываются величины коэф­ фициентов вариации Cv, лежащие в пределах 0,1 —1,0. Коэффи­ циенты асимметрии Cs принимаются всюду равными Cs, _ 2С\,. Кривыми, идущими по всей номограмме, показаны проценты от нормы стока. Прямыми, имеющими подъем слева направо, пока­ заны нормы стока в пределах 0,5—75,0 л/сек -км2. Наконец по верхней горизонтали отложены расходы воды, лежащие в пре­

и ведя от нее вверх по пунктирной линии, мы дойдем до верхней горизонтали, которая, пересекаясь с пунктирной вертикальной линией, дает точку, числовое значение которой будет соответст­

вовать расходу, равному <2 = 0,00415 м3/с<?/с-100 км2.

Выше была изложена методика, позволяющая по карте и фор мулам различных авторов находить норму стока и коэффициенты вариации и асимметрии. Определение указанных величин может быть сделано и непосредственно по расходам воды в водоемах, наблюдаемым за возможно более продолжительный период вре­ мени. Один из примеров такого расчета приводится ниже.

Пусть требуется определить норму стока и коэффициент асимметрии для р. Пахры в створе ст. Макарово.

Для упрощения все расчеты, относящиеся к данному случаю,

представлены в табл. 4.

По данным за 15 лет, норма стока для данной реки в указан­ ном створе Л40 = 5,917 л!сек-км2. Что касается коэффициента

вариации, то, согласно формуле (4), он равен

Дальнейшая методика определения расхода 95% обеспечен­ ности ведется, согласно указаниям, сделанным выше.

При санитарно-технических расчетах наряду с определением минимальных расходов воды в водоеме часто необходимо знать величину максимального расхода паводочных вод.

паводочных вод определяется по следующей формуле:

где: А — величина максимального стока, соответствующая перио­

ду максимума температуры, выраженная в мм/час. Она может быть определена по картам изолиний;

F—площадь бассейна в км2.

На картах изолиний величины коэффициента А для 5% обес­ печенности находятся в пределах 8,0—2,0 мм/час (постепенно убывают с севера на юг). Повышение величины коэффициента А

до 10 отмечается только для районов верхнего Приднепровья и

Подмосковья (см. приложение XXXVIII).

Для 1 % обеспеченности значения коэффициента А колеблют­ ся от 10 до 3 мм/час (также убывают с севера на юг) (см.

приложение XXXVIII).

Весьма сильно замедляет весенний сток наличие заболочен­ ности и озер, задерживающих часть талых вод. Согласно иссле­ дованиям проф. Д. Л. Соколовского (18), такое снижение сказы­ вается на величине максимального стока А, значение которого для соответствующих обеспеченностей определяется по следую' щим формулам:

20

Числовая величина коэффициента замедления стока (редук­ ции) будет равна при этом

С учетом влияния коэффициента (редукции на озерность и за­ болоченность формула (10) приобретает следующий вид:

Для упрощения расчетов по определению /? составлена но­

мограмма (см. приложение XV).

По оси абсцисс откладываются проценты озерности в грани­ цах 0,25—25. Кривыми, имеющими наклон слева направо, обоз начены проценты заболоченности 3, изменяющиеся от 1 до 25.

На линии ординат нанесены коэффициенты редукции R, имеющие пределы 0,035—10.

Пусть требуется определить коэффициент редукции для бас­ сейна, имеющего процент озерности а=1,5 и процент заболочен­ ности 3=10. Отметив на линии абсцисс точку, соответ­ ствующую а = 1,5, восстанавливаем из нее перпендикуляр до пе­ ресечения с кривой 3 = Ю. Из точки пересечения этих двух ли­ ний проводим горизонталь до встречи с осью ординат, на которой находим и точку, соответственно равную /? = 0,57.

Определив коэффициент редукции, можно найти паводочный расход по номограмме (см. приложение XVI), составленной для формулы (12).

По оси абсцисс откладываются расчетные бассейны, лежащие в пределах 3,5 — 450 000 км2. Прямыми, имеющими наклон слева направо, показаны величины А, изменяющиеся от 1 до 10; пря­ мыми, имеющими противоположный наклон, —• коэффициенты редукции R, лежащие в пределах 0,04—10. На верхней горизон­ тали показаны расчетные расходы Q в м?1сек.

Пусть требуется определить весенний сток паводковых вод,

ствующую площади бассейна, восстанавливаем из нее перпен­

пересечения последних двух линий восстанавливаем перпенди­ куляр на верхнюю горизонталь, который при пересечении дает, точку, соответствующую Q = 1160 м2!км.

В заключение приводится пример определения расхода воды 95% обеспеченности в р. Оке в районе г. Орла для маловодного месяца года.

Бассейн р. Оки у г. Орла равен 4890 км2. Норма стока по кар­ те равна 4,3 л1сек1км2. Далее определяется коэффициент вариа-

21

ции. По карте географический коэффициент для г. Орла будет

Пользуясь картой, находим, что дефицит влажности для г. Ор­ ла может быть принят равным 2,4, тогда коэффициент вариации,

Для нахождения расхода воды 95% обеспеченности маловод­

ного месяца пользуемся номограммой (см. приложение XIV).

Глава третья

ПРОЦЕССЫ СМЕШЕНИЯ СТОЧНЫХ ВОД

СВОДАМИ ВОДОЕМА

4.Теоретические основы смешения

Процессы смешения водных масс в водоеме являются доста­ точно сложными и нуждаются в дальнейшем изучении. Все сде­ ланное до сих пор в этой области дает главным образом принци­ пиальные, теоретические решения.

Одним из первых начал изучать теорию процессов перемеши­ вания проф. В. М. Маккавеев [7], которому принадлежит ряд ра­ бот по данному вопросу. Более узкой теме турбулентной диффу­ зии и методу смешения посвящена работа А. В. Караушева [6], на основании которой можно сделать интересующие нас прак­ тические выводы.

При впадении одной малой в другую более крупную реку про­

исходит постепенное перемешивание струй воды с соответствую­

щим усреднением ее состава.

В зависимости от соотношения расходов обоих рек, турбу­ лентности потока, его живого сечения, расположения русла в плане полное смешение может происходить на различных рас­ стояниях от места выпуска.

Основное правило смешения воды выражается следующим из вестным уравнением:

Q 1 q

где: Q и q—смешиваемые расходы воды;

22

Kj и K-, — соответствующие концентрации тех или других примесей;

К — усредненная концентрация примесей.

Нахождение створа полного перемешивания связано со все­

сторонним изучением динамики турбулентного потока, а также явлений диффузии, причем основной величиной, характеризую­

щей турбулентность потока, является коэффициент турбулентной диффузии Е, определяющийся из уравнения (по А. В. Караушеву)

где: Нср—средняя глубина потока;

—средняя скорость потока;

п— коэффициент шероховатости.

Коэффициент

1

с = —/?6,

п

где R — гидравлический радиус живого сечения потока. Обозначая коэффициент количества движения потока через

воды.

Для определения законов смешения и турбулентной диффузии можно применить метод конечных разностей, позволяющий ре­

шать случаи как плоской, так и объемной задач. Подробный ана-

23

лиз результатов применения данного метода приводит к следую­

Смысл настоящих уравнений станет понятным, если учесть,

что вся рассматриваемая область потока может быть разбита на элементарные площади и объемы со сторонами Ах, А_у и Az,

причем направление Ал параллельно оси водоема, Д’ —на­ правление глубины водоема и Az — его ширины. Концентрации примесей в воде отдельных элементарных объемов обозначают­

по направлению осей координат и их ряды.

Уравнение (17) показывает, что концентрация любой клетки каждого последующего ряда равна полусумме концентраций двух клеток предшествующего ряда, соприкасающихся с данной клет­ кой с той и другой ее сторон.

Точно так же уравнение (18) показывает, что концентрация насыщения клетки последующего ряда определяется из предыду­ щего, как среднеарифметическое из соседних четырех клеток, со­

прикасающихся с искомой.

Данное уравнение становится несколько неясным для первого сверху и последнего снизу рядов, у которых нет вышележащего

24

(у первого) и нижележащего (у второго) рядов. В этом случае- (рис. 3) в качестве верхней клетки берется центральная, ко­ торая проставляется сверху еще один раз.

Во втором случае в

что

№Рис. 3. Вычисление смешения верхней и

висит от величины турбулентности потока и определяется из фор­

мулы

Далее, при составлении уравнения (18), полагаем, что

Ду2

(21)-

4а

откуда определяется для объемной задачи числовое значение

По уравнениям (17) и (18) определяется концентрация от­ дельных струй водоема при их смешении, но без учета попереч­

ток одной строчки в ту или иную сторону на одну или несколько

25-

клеток, причем перемешивание концентрации обоих потоков бу дет происходить значительно быстрее и энергичнее при попереч­ ной циркуляции. Это явление обычно наблюдается в природе.

Чем больше поворот .реки в ту или иную сторону, тем на боль­ шее число клеток в ту же сторону сдвигаются показания число­ вых значений отдельных клеток, и тем энергичнее идет переме­

шивание.

Несмотря на чрезвычайно остроумные приемы, примененные А. В. Караушевым в целях возможно более точного отражения явления смешения и поперечной циркуляции и перенесения его на бумагу в виде системы клеток, установленных в несколько рядов, всю его методику в целом нельзя не признать слишком сложной, громоздкой и непригодной для практического ее при­ менения.

Наряду с определением условий смещения воды в текучих водоемах возникает необходимость в гидравлических расчетах смешения при выпуске сточной воды в пруды и озера.

Основной движущей силой, при помощи которой происходит

перемешивание сточных вод с водами непроточного водоема, в

этом случае является ветер. Течение, возникающее в результате трения ветра о поверхность воды, приводит в движение поверх­ ностные слои воды, что заставляет затем двигаться нижележа­ щие слои.

Теоретические вопросы, относящиеся к данному случаю, бы­ ли изучены и обоснованы проф. В. М. Маккавеевьим и уточнены А. В. Караушевым, применившим для данного случая метод ко­

нечных разностей, принципы которого были изложены выше. В

последнее время использованием указанных исследований для практических целей занялся М. А. Руффель [14], который вывел две формулы.

На основании произведенных исследований М. А. Руффель составил следующую формулу разбавления сточной воды при выпуске в непроточный водоем у берега

равной 0,1 —при выпуске сточных вод в поверхностной трети глубины или в мелководной прибрежной части; 0,05—-при вы­ пуске сточных вод в нижней трети глубины;

L— расстояние от выпуска в км.

26

Величина Дх определяется из уравнения

где: Л— коэффициент турбулентного обмена; 7-- удельный вес воды;

•vx— продольная составляющая скорости течения воды;

Ду = ~ср ,

3

Расстояниеот Выпуска L км

Рис. 4 Номограмма М. А. Руффеля при выпуске с берега без вычисления разбавления в прудах и озерах.

где Нср — средняя глубина участка водохранилища.

27

Для упрощения вычисления полного разбавления по указан’ ным выше формулам М. А. Руффелем составлены две номограм­ мы (рис. 4 и 5).

5.Практические методы расчета смешения сточных вод

сводами водоема

Теоретические основы смешения, изложенные в предыдущем разделе, являются достаточно сложными, чтобы их 'можно было

использовать повседневно для практических целей. Поэтому це­

лесообразно применять более простые методы расчета сме­ шения.

28