Караушев Методические основы оценки и регламентирования антропогенного влияния на качество поверхностных вод

kjar

Vue. -i.9. График связи X3a r - f( 7?3ar) .

I —большие равнинные реки, Б —средние горные реки, Ш - средние равнинные и реки предгорий, IV - малые равнинные, V - малые горные реки.

101

3 ) по графику QCT/Q e = f (?7 заг) ( см - Ри с- 4 -8) &1Яполученных зна­ чений т/заг по заданному соотношению расходов сточных и речных вод

находится кратность разбавления п.

Следует отметить, что рассмотренные в данном разделе методы , в

том числе и методы ГГИ, являются приближенными и нуждаются в

дальнейшем уточнении и проверке на натурном материале. К сожале­ нию, приходится констатировать, что такого материала в настоящее врем я явно недостаточно. В ряде случаев, даже, казалось бы, в подроб­ ных материалах обследования зон загрязнения, отсутствуют необходи­ мые для расчета гидрологические параметры.

4.3 .7 . Приближенная оценка разбавления при рассеивающих выпусках

Изложенные выше упрощенные методы применяются для расчета раз­ бавления сточных в од , сбрасываемых в реки через сосредоточенные вы пуски. При рассеивающих вы пусках для вычисления максимальной концентрации загрязняющ их веществ на заданных расстояниях х от створа сброса реком ендуется полученная М. А. Бесценной /7 2 / зависи­ мость вида

где sn c - средняя концентрация в струе, равная

ние м еж ду оголовкам и рассеивающего выпуска; q — расход сточных в од , вытекающих и з одного оголовка,равны й q CT = QCT/j (здесь j — чис­

ло о г о л о в к о в ); Qc — расход воды части речного потока, заключенной м еж ду продольными вертикальными плоскостями, проходящ ими через центры д в у х соседних оголов к ов , вычисляется по ф орм уле Qc = ДШ у; ip ~ коэффициент извилистости реки.

Ф ормула (4 .7 1 ) применима для участка от створа выпуска до ство­ ра, где водны е массы и з области, лежащей за пределами фронта рассеи­ вания, достигают центра зягрязненной струи. Расстояние до этого ство-

в которой I — длина рассеивающей части выпуска; D — коэффициент турбулентной диффузии.

Если створ, для которого рассчитывается максимальная концентра­ ция, находится от выпуска на расстоянии, превышающем х Ц.С.расчет

102

производится детальным м етодом .

Рассмотренные зависимости применяются для случая, когда несу-

щий трубопровод рассеивающего выпуска расположен перпендикуляр­ но линии берега. Если ж е трубопровод образует с нормалью к берегу сравнительно небольшой угол , то расчет также можно выполнять рас­ смотренным способом . В этом случае д ! надо брать как проекцию на нормаль к берегу, а расстояние, как и прежде, считать по направлению течения.

4 .3 .8 . Усовершенствованный метод расчета разбавления при рассеивающих выпусках

Для определения максимальных концентраций загрязняющих веществ, сбрасываемых через рассеивающие выпуски, предлагается номограмма,

аппроксимирующая детальный метод расчета разбавления /7 2 /. Огра­ ничения на область применения предлагаемой номограммы обусловле­

ограничение связано с допущ ением о том , что на распределение макси­ мальной концентрации не влияет расстояние от крайних оголовков

выпуска до близлежащих берегов. Это допущ ение справедливо при сле­

дующ их часто встречающихся вариантах расположения рассеивающего

выпуска: 1) один из крайних оголовков расположен у берега, другой

достаточно удален от противоположного берега; 2 ) оба крайних ого ­

ловка достаточно удалены от берегов. Достаточным считается удаление,

при котором на рассматриваемом участке водного объекта загрязнен-

ная струя не достигает берега. Загрязненной струей здесь названа о б ­

ласть, где концентрация загрязняющ его вещества больше некоторой заданной малой величины е , называемой точностью расчетов. Значе­ ние е принималось равным 0 ,0 0 1 scy.

Задача решалась для водотока или зоны однонаправленных по­

стоянно действующ их течений в водоем е. В водный объект через j оголовков рассеивающего выпуска, магистральная груба которого

ной скорости течения. Глубина на рассматриваемом участке водного объекта осредняется и принимается постоянной и равной Н. Течение считается установившимся и равномерным. Скорость его, осреднен-

ная по ж ивом у сечению, принимается равной v, коэффициент тур­

103

булентной диффузии в поперечном направлении — D.

Н омограмма (рис. 4 .1 0 ) позволяет определить максимальную кон ­

центрацию загрязняющ его вещества в заданном створе как функцию

трех безразмерны х параметров. В верхней части номограммы по оси

ординат отложены в логарифмическом масштабе относительные зна­ чения максимальной концентрацииИмакс (х)

где sMaKC(x ) — максимальная по ж ивому сечению концентрация за­ грязняющего вещ ества на расстоянии х от места выпуска. sMaKC яв-

ляется величиной, обратной кратности разбавления п, и мож ет и зм е­ няться от 0 до 1. По оси абсцисс в том ж е масштабе отложены значения некоторой условной безразмерной функции р, зависящей от х. Значе­ ние х находится по ф орм уле

где Д х — длина расчетной клетки в детальном методе расчета разбав­ ления.

Кривые в верхней части номограммы определяют зависимость s MaKC

от х при различных значениях К

заданному значению К. На этом участке максимальная концентрация

с наклонной прямой линией, соответствующей заданному значению j- На этом участке происходит дальнейшее перемешивание и расширение загрязненной струи. Однако в центральной части этой струи имеется область, где концентрации выравнены, поперечный градиент и соот­ ветственно диффузионны й поток равны нулю. Вследствие этого м ак­ симальная концентрация остается постоянной;

в) луч наклонной прямой вправо от упомянутого пересечения. На

третьем участке наблюдается перемешивание уж * по всей ширине за ­ грязненной С1руи и происходит дальнейшее уменьшение максимальной

104

Рис. 4.10. Номограмма SMaKc = f (j, К, x ) .

105

м

5ма.кс

Л»

Рис. 4.11. Пример использования номо1раммы для определения s,_.v . .

МдКС

При использовании номограммы следует по'ф орм улам (4 .7 5 ) и (4 .76)

рассчитать значения К и х . При этом коэффициент турбулентной диф ф у­

зии в поперечном направлении может быть вычислен по ф ормулам Я . П. Паапя /6 5 /, Л. П. Алексеева (см . раздел 2 ) или (при возм ож ности пренебрежения анизотропией турбулентности) по другим ф ормулам ,

приведенным в настоящей монографии.

Рассчитанное значение К и заданное j позволяет выбрать нужную л о ­ маную линию в нижней части номограммы . Затем и з точки на оси о р ­ динат, соответствующ ей полученному значению х, необходим о провес­ ти горизонтальную линию до пересечения с ломаной и подняться из точ­ к и пересечения вертикально вверх до пересечения с кривой, соответст­ вующ ей нуж ном у значению К . Горизонтальная линия, проведенная из точки последнего пересечения к оси ординат, даст нужное значение

У

“м а к с

Существенным ограничением применения предлагаемого метода яв ­ ляется, как говорилось выш е, допущение о достаточном удалении край­ них оголовков рассеивающего вы пуска от берегов. Численные экспе­ рименты показывают, что при принятой точности расчетов и значе-

106

ниях х , для которы х построена номограмма (х < 1 0 * ), это допущение

справедливо, если расстояния от крайних оголовков до берегов не меньше половины длины фронта рассеяния. Если это условие не вы пол­

няется, номограмма дает заниженные значения s . Когда оба край­

них оголовка рассеивающего выпуска удалены от берегов на расстоя­ ние, меньшее Д£ = I/ [2 (j — 1) ], распределение концентрации вдоль п о ­ тока также мож но получить при пом ощ и номограммы . В этом случае линией связи м еж ду х и р" будет ломаная, состоящ ая и з двух участков:

отрезка биссектрисы координатного угла и вертикальной прямой, соот­ ветствующей значению К, т. е. максимальная концентрация, достигнув некоторого значения, далее остается постоянной.

Если крайние оголовки рассеивающего выпуска равноудалены от берегов, то поле концентрации характеризуется осевой симметрией,

причем ось симметрии совпадает с осью потока. В поперечном профи­ ле концентраций (на произвольном расстоянии от места вы пуска) точ- !ке z = 0,5В соответствует м аксим ум концентрации (при нечетном чис­ ле оголовков) либо локальный минимум (число оголовков четное).

Эs

Вобоих случаях - — | z _ q 5 3 = 0 , следовательно, диффузионный поток

вещества через ось симметрии в направлении у равен нулю. Очевидно, что при прочих равных условиях распределение максимальной концен­ трации не изменится, если ось симметрии заменить непроницаемым для данного вещ ества берегом . Таким образом , при использовании н ом о ­ граммы для расчета продольного профиля максимальной концентрации вещества, сбрасываемого в водный объект через рассеивающий выпуск,

один из крайних оголовков которого расположен у берега (первый ва­ риант расположения вы пуска), некоторое приведенное число оголов ­ ков j', с которы м следует входить в номограмму, определяется по ф ор ­ мулам

средственно у берега, а при расстоянии от оголовка до берега, прибли­ зительно равном половине расстояния м еж ду соседними оголовкам и,

107

В остальном м етод определения \ , акс остается тем же. При интерполя­ ции внутри номограммы следует учитывать логарифмический масштаб.

4.4. Учет неконсер&ативяости загрязняющих веществ при расчете зон загрязнения в реках

Поступающие в водны е объекты неконсервативные загрязняющие в е ­ щества подвергаются химическим превращениям, приводящим в боль­ шинстве случаев к уменьшению их концентрации в воде. Трансформа­

цию (распад) химических вещ еств необходим о учитывать при состав­

лении баланса вещ еств в зоне загрязнения. Уравновешивание поступле­ ния и распада загрязняющ их веществ приводит к стабилизации зон за­ грязнения и влияния.

В м етодах ТЛИ и УралНИИВХ распад неконсервативных вещ еств учитывается введением коэффициента неконсервативности непосред­ ственно в расчетные формулы . Другой п одход предполагает особы й

прием учета неконсервативности вещества при расчете поля концентра­

ции, заключающийся в следующ емСначала, пренебрегая неконсерва-

тивностью вещ ества, вьщолняют расчет разбавления одним из м етодов,

предложенных для консервативного вещ ества. Затем исправляют по­

лученное распределение концентрации, используя соотнош ение, учиты­ вающее закономерность распада, или трансформации, данного вещ ест­

ва. Раздельный расчет диффузии и превращения веществ позволяет учи­ тывать процесс трансформации, протекающей по любой законом ернос­ ти. Ниже, однако, рассматривается простейший случай, отвечающий возм ож ности использования следующей формулы , приближенно описы ­ вающей процесс при реакциях первого порядка:

добегания от некоторого начального створа, например створа выпуска

10S

Коэффициенты неконсервативности для рассматриваемых веществ берутся из соответствующих таблиц /28/, находятся на основании лабо­ раторных химических экспериментов или, что более надежно, устанав­ ливаются на основании данных полевых наблюдений на изучаемом вод­ ном объекте или на его аналоге.

Нетрудно получить выражение для вычисления снижения концентрации за счет неконсервативности вещества б sHK на пути его перемещения

где sQ выражает уже концентрацию вещества в расчетном створе, по­ лучаемую в резулыате расчета разбавления без учета неконсерватив­ ности вещества; 5s - снижение концентрации в данном створе (г/м3) за время t, вычисляемое по соотношению (4.82). Вычисления могут выполняться не только для заданного контрольного створа, но и для ряда последовательно расположенных створов, находящихся на рас­ стоянии Xj, х 2, • • . » хп от створа выпуска. Для них соответственно по­ лучают значения 6 shk р 5shk 2>• ■■j &SHK Если расчет выполняется для отдельных точек, расположенных в створах 1, 2 , . . . , п, то в форму­

лу (4.83) подставляют значения s0, отвечающие концентрациям в этих точках, а расстояние х берут общим для всего створа. Изложенный здесь способ является весьма приближенным. Однако его использова­ ние оправдано тем, что коэффициенты кд определяются с большими погрешностями.

109

ПЕРЕНОС И РАЗБАВЛЕНИЕ СТОЧНЫХ ВОД

ВОЗЕРАХ И ВОДОХРАНИЛИЩАХ

5.1.Об условиях применимости различных методов

Взависимости от гидрометеорологической обстановки и характера вы­ пуска сточных вод следует рассматривать различные случаи накопле­ ния и рассеяния загрязненных вод в озерах и водохранилищах и соот­ ветственно применять различные методы расчетов разбавления.

При наличии в районе выпуска сточных вод в водоеме устойчивого во времени и пространстве течения и при равномерном поступлении сточных вод процесс переноса и разбавления загрязняющих веществ протекает так же, как в реках. Существенным отлижем является толь­ ко то, что загрязняемая часть потока ограничена берегом лишь с одной стороны. Расчеты разбавления выполняются детальными методами, основанными на численном решении уравнения турбулентной диффу­ зии в декартовых координатах по схемам как плоской, так и простран­ ственной задачи, т. е. теми же методами, которые рекомендованы выше для речных потоков. Упрощенные же методы, предложенные для рек.

вданном случае неприменимы, поскольку они относятся к русловому потоку, ограниченному с двух сторон берегами.

При поступлении загрязненных вод со скоростью, большей 2 м/с, необходимо учитывать как начальное, так и основное разбавление. Ес­ ли в водоеме в районе сброса сточных вод имеется вертикальный гра­ диент поперечной составляющей скорости, то разбавление загрязнен­ ных вод происходит под действием суммарного эффекта турбулентной диффузии и поперечных течений, которые следует учитывать. Метод учета поперечных течений при численном решении уравнения диффузии детально рассмотрен в разделе 4.

При длительном выпуске сточных вод в период, когда скорости те­ чения в водоеме малы и неустойчивы по направлению, происходит на­ копление загрязненных вод в районе выпуска, сопровождаемое тур­ булентной диффузией. В рассматриваемых условиях расчет выпол­ няется по уравнению турбулентной диффузии, записанному в цилиндри­ ческих координатах. В тех же условиях, но при значительных глубинах

взоне выпуска сточных вод при необходимости оценки процесса в непосредственной близости от сбросных сооружений может использо­

ваться численный метод расчета изотропной диффузии, основанный на

110