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

Здесь, к ак и прежде, принято, что ScT является суммой концентра­ ций всех учитываемых в сточных водах гп лимитирующих консерватив­ ны х вещ еств; Sуст - суммарная концентрация ш веществ в водоеме, устанавливающаяся в результате длительного сброса в него сточных вод. Ниже будет использоваться такж е значение суммарной концентрации 5П д , отвечающей предельно допустимому состоянию качества вод водоем а.

О д н и м ' и з условий, определяющих предельно допустимый сброс сточных вод в водоем , может быть условие непревыш ения средней к о н ­ центрации загрязняю щ их веществ в водоеме над величиной БПд даже после длительного периода сброса сточных вод. Предельное состояние, отвечающее этом у требованию, выражается равенством

Значок т при М показывает, что масса берется к ак сумма масс всех рассматриваемых m консервативны х лимитирующих веществ.

Остановимся на другом случае, когда загрязнение водоема может быть допущено через промеж уток времени % д - Выражение для допус­ тимого сброса загрязняю щ их веществ в этом случае может быть найде­ но на основании уравнения вида (10 .89), записанного для суммарной концентрации и для предельного состояния, т. е. следующим образом :

Отсюда, учитывая следующее равенство для предельного состояния:

Нетрудно показать, что врем я стабилизации средней концентрации в водоем е до уровня S = р $ уст в рассматриваемом случае будет опреде­ ляться тем ж е уравнением, что и в случае, относящ емся к одному ве­ ществу.

221

10.5.3. Нормирование сброса сточных вод в водоем по одному неконсервативному вещ еству

Решение поставленной задачи выполняется тем же способом, что и рас­ смотренной вы ш е, в предыдущ ем разделе, но с использованием урав­ нения, включающ его величину, учитывающую неконсервативность ве­ щества. Уравнение имеет вид

ся именно этот случай. В случае к д > 0, т. е. когда за счет тех или иных внутриводоемны х процессов происходит увеличение количества ве­ щества в водоеме и его концентрации в водных массах, рассматривае­ мый ниже подход к получению нормативных соотношений непригоден. Вопрос о соотношении между коэффициентом к ц и так называемым коэффициентом скорости превращ ения к детально рассмотрен в п. 1.1. Числовые значения к н или соответственно к получают эксперименталь­ но; некоторы е из них можно найти в работах гидрохим иков, приве­ денных, в частности, в обзоре /17/. В записываемых здесь ф орм улах раз­ мерность к ц должна быть 1/с, что согласуется с принятой^размерностью времени и расхода воды.

Содерж ащ аяся в форм уле (10.105) величина sycTj для неконсервативного вещ ества определяется приближенным равенством

(10.106)

К ак и вы ш е, рассмотрим два случая: 1) превышение средней кон ­ центрации лимитирующего вещ ества над ПД К ^ в водоеме недопусти­ м о, 2) превыш ение Sj над ПДК^ м ож ет быть допущено по истечении времени t n д с м омента начала сброса сточных вод в водоем .

Сначала остановимся на первом случае. Отвечающее ем у предельное состояние выражается равенством (10.92). Учитывая выражение для sycT ^ находим после некоторы х преобразований

(10.107)

Коэффициент к н является величиной отрицательной, поэтдму чем больше его абсолютное значение, тем больше допустимый сброс в водо­ ем сточных вод, содержащ их рассматриваемое лимитирующее вещ ество.

222

следующее выражение для предельно допустимого сброса вещества:

(Qb - кнWlIUIKj

Время стабилизации t ycT в случае неконсервативного вещ ества мо­ жет быть получено аналогично том у, к а к это сделано для консерватив­ ного вещ ества, но с учетом коэффициента к д . Задаваясь определенным допустимым отклонением (1 - р ) от значения вполне стабилизировав­ ш ейся концентрации, получаем следующую ф орм улу:

которая может использоваться для приближенных расчетов.

10.6. Вопросы нормирования сбросов подогретых вод в реки

10.6.1. Требования к качеству воды по температуре

Одним из ф акторов ухудш ения качества в о д в водотоках и водоемах является так называемое тепловое загрязнение, обусловленное сбросом подогретых вод. Борьба с загрязнением поверхностных во д должна включать меры по ограничению или прекращ ению таких сбросов в слу­ чаях, приводящ их к ухудшению качества вод ниже допустимого уров­ ня. В действующих в нашей стране "П равилах охраны поверхностных во д от загрязнения сточными водам и ” /66/ на основании самых общих соображений дается количественная характеристика допустимой степе­ ни подогрева водны х масс р ек и водоем ов за счет сброса в них сточных вод.

В Правилах помещ ена таблица, в которой даны общие требования к

Дается такж е и для водных объектов, используемых для ры бохозяйст­ венных целей. Норма допустимого увеличения температуры воды по требованиям хозяйственно-питьевого и культурно-бы тового водополь­ зования более жестка, чем для водоем ов рыбохозяйственного назначе­ ния, следовательно, она должна быть основны м критерием для установ­ ления ПДС подогретых вод. О днако рыбохозяйственные норм ы содер­ жат еще дополнительное условие о недопустимости повыш ения темпе-

223

ратура воды в водном объекте определенного рыбохозяйственного на­ значения выше определенного уровня. Значит, при установлении ПДС по температуре воды доя таких водны х объектов, кром е основного критерия, необходимо пользоваться еще и дополнительным кон троле ным критерием , учитывающим упомянутое требование.

В настоящей книге рассматривается лишь вопрос об оценке ПДС по­ догретых вод по основному критерию. П оэтому излагаемые ниже ре комендации не следует распространять на водные объекты ры бохозяй­ ственного назначения.

Излагаемые соображения об установлении ПДС подогретых вод в реки основываются на требованиях Правил и долж ны рассматриваться

ка к предварительные.

Втаблице ’’Общие требования к составу и свойствам воды водных объектов у пунктов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового

к а сточных в о д не должна повыш аться более чем на 3 °С по сравнению со средней месячной температурой воды самого ж аркого месяца года за последние 10 лет” .

Этим требованиям долж на удовлетворять вода на лимитирующ ем расстоянии (считая вверх по реке или вообщ е в направлении против те­ чения) от мест указанного вида водопользования. Лимитирующее рас­ стояние для р ек хл - 1000 м . Для озер и водохранилищ лимитирующее расстояние (1000 м ) берется во всех направлениях от места водополь­ зования.

В качестве основного требования при установлении ПДС подогретых вод в водны е объекты хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования должно использоваться требование о пределе допустимого повыш ения температуры воды на лимитирую щ ем расстоянии хл от мест водопользования или на контрольном расстоянии от места сброса вод. Ниже рассматривается вопрос о способе назначения такого критерия ПДС.

10.6.2.Назначение ПДС подогретых вод

вреки по основному критерию

Исходным положением для назначения ПДС является условие, запре­ щающее повыш ать температуру воды в лимитирующие теплые и холод­ ные периоды на величину, превышающую 6 в Пд градусов Цельсия. Рас­ чет температуры воды в лимитирующие периоды рассмотрен ниже. Здесь же остановимся на подходе к решению этой задачи.

При расчете ПДС подогретых вод по основному критерию могут встретиться два случая: 1) на заданном расстоянии от пункта сброса происходит достаточное перемешивание подогретых вод с речными

224

водами, 2) на заданном расстоянии перемешивание неполное. В первом случае применяется уравнение баланса тепла речного потока на участке от створа сброса до расчетного створа. Во втором случае оценивается процесс турбулентной теплопроводности, связанный с кратностью раз­ бавления п на участке между створами. В обоих случаях уточненное ре­ шение предполагает учет теплопотерь или притока тепла через поверх­ ности» ограничивающие поток. Теплопотери и приток тепла обусловле­ ны радиацией, контактом с дном , берегами, воздуш ными массами или ледяны м покровом . В большинстве случаев поток тепла будет направ­ лен от подогретых водных масс во внешнюю среду. На сравнительно небольш ом участке от места сброса до контрольного створа он будет не­ больш им, и его неучет можно рассматривать к ак определенный запас при вычислении ПДС.

Соответственно при установлении ПДС подогретых вод в реки мож ­ но не учитывать теплообмен водны х масс с внешней средой.

Первый из указанных выш е случаев имеет два варианта: а) хозяй­ ственный объект, сбрасывающий подогретую воду в реку , забирает воду из другого водного источника; б ) хозяйственный объект, осу­ ществляющий сброс, забирает воду из той же реки , но выш е места сбро­ са, при этом расход водозабора примерно равен расходу сточных вод этого объекта.

10.6.3. Приближенные способы количественной оценки ПДС подогретых вод

Рассмотрим уравнение баланса тепла для участка речного потока от створа сброса подогретых во д до створа достаточного и х перемешивания с речными водами. Обозначим через ©е , ©ст и © п среднюю температу­ ру воды в реке выш е сброса, температуру сточных вод и среднюю тем ­ пературу воды в реке ниже сброса в створе достаточного перемеш и­ вания.

где р — плотность воды ; о — ее теплоемкость; Д С — приход или расход тепла через внешние границы речного потока на участке от начального створа до конечного. Начальным створом считается створ сброса подо­ гретых вод , конечны м створом является контрольный створ, где, как предполагается, произош ло достаточное перемешивание подогретых вод с речными.

225

Это уравнение баланса тепла, к ак и подобное уравнение, используемое ниже д л я случая ” 6” , соответствуют по своему виду уравнениям баланса растворенных веществ в потоках. Предельно допустимый секундный

сброс тепла вьФажаемь™ соотношением

определится в соответствии с формулой (11.2) следующим образом :

створе; 0 е — естественная температура воды в реке, не искаженная влиянием сброса сточцых во д и оцененная в соответствии с требования­ м и Правил для самого теплого или самого холодного месяца года за последние 10 лет. Д ля конкретности изложенного будем называть эту температуру контрольной и обозначать через 0 е к - Правилами преду­ сматривается допустимость повыш ения температуры 1в реке на б 0 Пд С. П оэтому очевидно, что предельно допустимая температура ©Пд в к о н ­ трольном створе вы разится суммой

Величина в Пд вклю чает к а к множитель QCT, который содержится так­ же и в правой части уравнения, поэтому расчет выполняется методом подбора при варьировании значениями QCT и 0 СТ-

Д ля случая ”б ” уравнение баланса тепла для участка реки между

оценки ПДС подогретых во д в реки в условиях достаточного переме­ шивания сточных вод с речными.

Аналогичный подход используется и для решения задачи о ПДС по­ догреты х во д в тех случаях, когда между створом сброса сточных вод

226

й контрольны м не происходит достаточного перемеш ивания подогре­ тых во д с речными. В этом случае регламентировать следует по значе­ нию максимальной температуры в контрольном створе ® м а к с «> учи­ ты вая при этом коэффициент кратности разбавления. Последний опре­ деляется зависимостью

Способ расчета п в речных потоках при стационарном'режиме детально рассмотрен в разделе 4 настоящей монографии.

227

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение I

Примеры расчета плана течений для реки и водоем а

П р и м е р I. Построение плана течений приближенным теоретическим методом (см . п. 2.2 .3).

На плане участка реки намечены ортогональные и расчетные попереч­ ники. Д ля каж дого расчетного поперечника составлена таблица» в кото­ рой указаны номера вертикалей, их расстояния от уреза и глубины. В табл. 1.1 приведены данные по одном у и з расчетных поперечников. В таблице дан пример расчета интегрального граф ика функции 0. Прира­ щения функции определяю тся соотношением

^ i - U = <fcpAB> i-U '

где Д В |_ 1 ^ — расстояние между вертикалям и i — 1 и i;

Функция ^ в ы р а ж аетс я так:

f . = H А’6 7 ^ 0 *5 ,

где Н- - глубина вертикали; ^ - расстояние меж ду двум я смежными ортогональными поперечниками, измеренное по линии, проходящ ей через вертикаль i.

Результаты всех вычислений для расчетного поперечника приведены в табл. 1.1. По полученным данным построен график (3(z) (рис. 1.1). Его максимальная ордината разделена на 6 частей (по числу струй). Точки деления спроектированы на кривую , а с нее — на ось абсцисс. Точки, полученные на последней, соответствуют линиям тока; они пе­ ренесены на расчетный поперечник на плане участка реки. Таким же образом производится построение и для других створов (расчетных

228

Рис. L1. График функции 0 (Z). Ширина реки В = 132 м.

поперечников). Соединяя плавными линиями точки деления, обозна­ ченные на всех расчетных поперечниках одинаковы ми индексами i, получаем линии тока на плане. Если они окаж утся перпендикулярными ортогональным поперечникам, то расчет считается законченным. Если нет, то следует произвести некоторое изменение очертаний и смещение ортогональных поперечников. При этом изменятся также и значения t, что потребует выполнения повторных расчетов и построений. Обычно после второго тура расчета получается окончательный результат.

П р и м е р 2. Расчет плана течений в мелкойодном водоеме путем чис­ ленного решения уравнений м елкой воды (см . п. 2 . 3 . 3 ) .

Для расчета стационарного поля течений в м елководном проточном водоем е используется разностнай схема численного решения уравнений

условием (v )n | г = Q i/Д х; на жидких границах рассматриваемой об­ ласти водоем а задается условие

( v ) n i r - ( { V 5 H J i r

229

Сеточная область решения и распределение глубин на моделируемой части водоем а показаны на рис.1.2.

Рис. 1.2. Область распределения глубин (м) на моделируемой части водоема.

1 - места впадения притоков, 2 - твердая граница, Э - жидкая граница.

Расчеты производились при помощи ком плекса программ , составлен­ ных на язы ке ФОРТРАН для ЕС ЭВМ. На рис. 1*3 показано поле осред­ ненных по глубине течений, рассчитанных при следующих значениях па­ раметров модели:

Рис. L3. Результаты расчета поля осредненных по глубине течений в водоеме. 1 - места впадения притоков, 2 - направление и скорость течения»

3 - твердая граница, 4 - жидкая граница.

суммарный расход притоков QcyM = 2 5 0 0 м ^ с ; tp =60° ; W = 5 m /c, ве­ тер западны й ; а = 2 , 6 - 10_ 3 ; ра = 1,29 к г /м 3 ; А х = 1110 M,At = 6 0 с.

При нулевы х начальных условиях на формирование стационарной схе­ м ы течений уходит около 2 сут модельного времени. Время расчета на ЭВМ ЕС-1045 составляет 10 мин.

230