Geum.ru

Конспект лекцій для студентів спеціальності 040106 "Екологія, охорона навколишнього середовища та збалансоване природокористування" усіх форм навчання

Вид материалаКонспект
Подобный материал:
1   2   3   4
/ [ 1 + ] ,

де Qв – об’єм води у водоймі або витрати води у річці;

Qc – об’єм (витрати) стічних вод;

L – довжина русла по фарватеру від випуску стоків до розрахункового створу;

к - коефіцієнт гідроумов змішування;

е = 2,71.

Коефіцієнт гідроумов визначається виразом

К = Км Кр  , (2.2)

де Км – коефіцієнт місцеположення випуску стічних вод (для берегового випуску Км =1, для випуску в розрізі русла Км=1,5);

Кр – коефіцієнт звивистості русла;

Дт – коефіцієнт турбулентності дифузії;

Qс – об’єм (витрати) стоку.

Коефіцієнт звивистості русла визначається відношенням

Кр = L / Lm, (2.3)

де L – довжина русла по його фарватеру від місця випуску до розрахункового створу;

Lm – мінімальна відстань по прямій лінії між цими створами.


2.2 Процес розбавлення стічних вод у непроточній

водоймі

Рівень забруднення стоків, як правило, більш значний порівняно з концентрацією цих речовин у водному середовищі. Перемішуючись, стічні води у водному об’єкті розбавляються його водою. Відбувається розбавлення забрудненої стічної води збільш чистою водою водного об’єкта.

Розбавлення – це процес зменшення вмісту домішки у водному об’єкті (водоймі, річці і т. д.) з віддаленістю від місця випуску стоків, викликаний перемішуванням стічних вод із водним середовищем, в яке вони випускаються.

Кратність розбавлення – це показник, який показує, у скільки разів знизився вміст домішки у розрахунковому створі стосовно її первинної концентрації.

Розглянемо процес розбавлення стічних вод у непроточній водоймі. Для непроточних водойм кратність розбавлення розраховуються за формулою

nв = (Kс Qв + Qс) / Qс , (2.4)

де Kс – коефіцієнт змішування;

Qв – об’єм водойми;

Qс – об’єм стоку.

Зрозуміло, що у місці випуску стоків кратність розбавлення стічної води дорівнює одиниці (nв = 1). З віддаленням від місця випуску в розбавленні тієї ж самої маси домішки, що була у даному об’ємі стоків, бере участь все більший об’єм води даної водойми. Кратність розбавлення стоків збільшується, а вміст забруднюючої речовини в одиниці об’єму води водойми пропорційно зменшується.

Показник кратності розбавлення об’єму стічних вод у водному об’ємі водойми є універсальною характеристикою. Він показує, у скільки разів у розрахунковому створі збільшився об’єм води, що бере участь у розбавленні стоку, стосовно первинного об’єму стічних вод.

У граничному випадку, коли в процесі розбавлення бере участь увесь можливий для даної водойми об’єм води, настає повне перемішування стічних вод з водою водойми, тобто повне можливе розбавлення.

Вміст домішки у воді визначається концентрацією.

Концентрація конкретної забруднюючої речовини у стічних водах і у воді водойми, як правило, відрізняється. Від її величини залежить швидкість зниження вмісту домішки у воді даного розрахункового створу водойми, тобто ефективність процесу розбавлення. Тому, крім кратності розбавлення стоків, процес розбавлення характеризується ще й показником інтенсивності процесу розбавлення стічних вод.

Інтенсивність процесу розбавлення стічних вод у водоймищі без течії кількісно характеризується показником інтенсивності за формулою

nвс =  , (2.5)

де Сс - концентрація забруднюючої речовини у стічних водах, г/куб.м;

Св - концентрація даної речовини у водоймі до випуску стоків, г/куб.м;

Сн - концентрація речовини у розрахунковому створі, г/куб.м.

Інтенсивність процесу розбавлення стічних вод у водоймищі характеризує зниження концентрації даної речовини у водоймищі в розрахунковому створі відносно її концентрації у стічній воді.

Для водойм кратність n розбавлення і коефіцієнт Кз змішування пов’язані між собою залежністю

Kз = (n - 1) Qc / Qв . (2.6)


2.3 Процес розбавлення стічних вод у проточному водному об’єкті

При моделюванні процесу розбавлення стічних вод у проточному водному середовищі (водотоці, річці, каналі) кратність розбавлення стоків у річці обчислюється за формулою

nр = (Кс Qр + Qс) / Qс , (2.7)

де Qр - річкова витрата 95% забезпеченості, куб.м/с;

Qс - витрата стоків, куб.м/с;

Кс - коефіцієнт змішування.

Цей показник характеризує, у скільки разів у деякому розрахунковому створі річки на деякій відстані від місця випуску нижче за течією збільшився об’єм води, що бере участь у розбавленні стоку, порівняно з первинним об’ємом стічних вод.

У загальному випадку інтенсивність процесу розбавлення стічних вод у річці кількісно характеризується показником інтенсивності розбавлення за формулою

nрс = (Сс-Ср ) / (См-Сс), (2.8)

де Сс - концентрація речовини у стічних водах, г/куб.м;

Ср - концентрація цієї речовини вище місця випуску стоку, г/куб.м;

См - максимально можлива концентрація даної речовини у розрахунковому створі, г/куб.м.

Інтенсивність процесу розбавлення стічних вод у потоці характеризує зниження концентрації даної речовини у розрахунковому створі на деякій відстані від місця випуску нижче за течією відносно її концентрації у стічній воді.

Отже, під розбавленням стоків розуміють процес зниження концентрації домішки, яка входить до складу стічних вод, за рахунок перемішування стоків з водою водного об’єкта.

Облік розбавляючої здатності водного середовища, що rрунтується на гідрологічних даних водного об’єкта та на його самоочищувальній здатності, дозволяє встановити режим скидання забруднених стоків у водойму та оцінити допустиму кількість стоків, тобто критичне екологічне навантаження.

При цьому враховують також природний стік та хімічний склад як водного середовища, так і стічних вод.

Отже, показники розбавлення стоків та перемішування їх з водою водного об’єкта є характеристиками зниження вмісту домішок у просторі і часі.


2.4 Період повного обміну стічних вод

Період повного обміну води у водоймищі, необхідний для повного перемішування стічних вод з водою всього об'єму водоймища, розраховується за формулою

Тв = Qв / (Qв + Qс – Qп) , (2.9)

де Qв – об'єм водоймища (витрата води у річці);

Qс – об'єм стоку (витрата);

Qп – втрати об'єму води без винесення домішки.


Тема 3 Моделювання факторів впливу на процеси розповсюдження забруднюючих речовин у воді водного об’єкта

    1. Фактори, що впливають на процеси перемішування та

розбавлення стічних вод у воді водного об’єкта

Чинники, що мають вплив на розповсюдження речовин у воді водного об’єкта у зоні випуску стічних вод, обумовлені перш за все декількома групами факторів впливу: параметрами джерела скидів стічних вод, параметрами стічних вод, параметрами водного об'єкта та його води.

Розглянемо характеристики водойми, які впливають на розбавлення стічних вод.

Так, у озерах і водосховищах на процеси перемішування вплив чинять перш за все гідрологічні і метеорологічні умови. Тому для оцінки перемішування стічних вод необхідні розрахунки вітрових течій, врахування мінливості гідровеличин і гідроелементів, що підлягають впливу коливання вітру над водою. Найбільш характерні умови розбавлення при швидкості вітру різної забезпеченості Р наведені у табл.3.1.

Таблиця 3.1 - Найбільш характерні умови розбавлення

при швидкості вітру різної забезпеченості Р

Умови

перемішування
Забезпеченість швидкості вітру Р, %

Сприятливі
1

Середні
50

Несприятливі
90

Перехід від швидкості вітру на суші Wc на висоті флюгера 10 м до швидкості вітру над водною поверхнею Wв на цій самій висоті здійснюється за спеціальним графіком (рис.3.1).

Дані про швидкості вітру над водною поверхнею Wв використовують для визначення швидкості вітрової течії Wт у досліджуваному водному об'єкті.

За відсутності графіка (рис.3.1) чи інших необхідних даних можна для наближеного розрахунку користуватися наступним підходом. Для цього для переведення швидкості вітру над сушею Wc на висоті 10 м у швидкість вітру Wв над водою на висоті 2 м вводиться коефіцієнт переведення Кw = 0,85.

Отже, швидкість вітру W2 над водою на висоті 2 м визначається значенням

Wв = Кw Wc = 0,85 Wc . (3.1)





Рисунок 3.1 - Номограма для визначення середньої швидкості

вітру над водною поверхнею Wв (вісь ОУ) за даними

швидкості вітру на суші Wc на висоті флюгера 10 м

Середню вітрову швидкіть течії Wт у водному середовищі рекомендується визначати за номограмою (рис.3.2).





Рисунок 3.2 - Номограма для визначення середньої

вітрової швидкості течії Wт


За відсутності номограми (рис.3.2) можна для наближеного розрахунку користуватися такою залежністю:

Wвс = Kк W2 , (3.2)


де Kк – коефіцієнт, що залежить від обліку схилу дна русла;

W2 – швидкість вітру на висоті 2 м над водою, м/с;

h - середня висота хвилі 1% забезпеченості в даній системі хвиль для даної ділянки русла, м.

Висота хвилі h є величина більш-менш постійна протягом визначеного періоду, тобто h=const.

Розглянемо характеристики водотоку, що впливають на дифузійні процеси перемішування стоків. Так, для розрахунку турбулентного перемішування у ріках важливим є показник витрати води. Як розрахункову витрату звичайно беруть мінімальну витрату 95 % забезпеченості.

Відповідно до розрахункової витрати Q (куб.м/с) визначаються: площа живого перетину створу S (кв.м), середня швидкість течії Wт (м/с), схил водної поверхні У (%о), середня ширина В (м), середня глибина на розрахунковій ділянці Н (м).

Схил У розраховується за формулою

У = ∆Н / 1000 , (3.3)

де ∆Н - падіння висоти дна русла над рівнем моря на відрізку 1000 м досліджуваної ділянки.

Падіння висоти дна русла над рівнем моря на відрізку 1000 м досліджуваної ділянки вимірюється різницею між початковою висотою Нп і кінцевою Нк, тобто ∆Н = Нп-Нк. Саме це падіння висоти дна русла над рівнем моря, тобто водної поверхні, спричиняє течію водних мас, тобто водотік.

За наявності змінних схилів обчислюється коефіцієнт схилу за формулою

К сх = Wт /  , (3.4)

де Wт – середня швидкість течії, м/с;

Нр - середня глибина русла на розрахунковій ділянці, м;

Wт – середня швидкість течії на ділянці, м/с;

У – схил водної поверхні, ‰ .

За відсутності даних про схили коефіцієнт схилу дна русла обчислюється за формулою


К сх =  = 33  , (3.5)

де – ефективний діаметр частинок донних відкладень, мм;

Нр – середня глибина русла, м.

Формула 3.5 також подана у вигляді номограми (рис.3.3). Це дозволяє визначати Ксх (вісь ОХ) без трудомістких розрахунків за результатами відношення Нр / de .


Рисунок 3.3 - Номограма для визначення значення

коефіцієнта схилу дна К сх


Ефективний діаметр частинок донних відкладень в умовах озер і водосховищ визначається за інтегральною кривою гранулометричного складу як діаметр, обмежений 10% найбільш великих частинок.

Крім того, у діапазоні 10  Ксх  60 визначається функція коефіцієнта схилу за формулою

f сх = 0,7 К cх + 6 . (3.6)

При значеннях Ксх > 60 функція коефіцієнта схилу є const і дорівнює f сх = 48.

Значення Ксх і Кк пов'язані між собою такою залежністю, наведені у табл. 3.2 .

Таблиця 3.2 - Значення коефіцієнта Кк залежного від значень коефіцієнта схилу Ксх



Ксх
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100

К к
10
18
27
34
42
50
55
60
64
68



3.2 Коефіцієнт турбулентної дифузії водойм

Коефіцієнт турбулентної дифузії є основним параметром при розрахунку турбулентного перемішування стоків у водному середовищі.

Для водойм при слабкому вітровому хвилюванні він обчислюється за формулою

Dв = g Hв Wт / fсх Ксх , (3.7)

де Hв – середня глибина водойми на розрахунковій ділянці, м;

Wт – середня швидкість течії на ділянці, м/с;

Ксх - коефіцієнт схилу;

f сх - функція коефіцієнта схилу;

g = 9,81 м/с – коефіцієнт вільного падіння.

Коефіцієнт турбулентної дифузії водойм за наявності хвилювання (вітру) обчислюється за формулою

D =  , (3.8)

де  - фазова швидкість хвиль, м/с;

 - середнє по вертикалі значення абсолютної величини переносної швидкості хвиль, м/с;

h - висота хвилі 1% забезпеченості, м;

- середня глибина водоймища на розрахунковій ділянці, м;

 - ефективний діаметр частинок донних відкладень, м;

 = 700 – const;

 = 3,14 – const.

Фазова швидкість хвилі за умови H0,5L обчислюється за формулою

 =  при H0,5L , (3.9-1)

де L – довжина хвилі, м .

Фазова швидкість хвилі за умови Н0,5L обчислюється за формулою

 =  при Н0,5L, (3.9-2)

де  - висота хвилі 1% забезпеченості, м;

Н – глибина водоймища, м.

Дана формула 3.2 рекомендується для глибин менше 60 м, тобто Н  60 м.


3.3 Коефіцієнт турбулентної дифузії водотоків

Коефіцієнт турбулентної дифузії потоку Др розраховується за формулою

Dр = Н W т / (Ксх f сх ) , (3.10)

де Wт – середнє значення швидкості течії на ділянці розповсюдження забруднюючих речовин, м/с;

Н – середня глибина на розрахунковій ділянці, м;

К сх – коефіцієнт схилу;

f сх – функція коефіцієнта схилу;

g = 9,81 м/с – коефіцієнт вільного падіння.


3.4 Уточнений коефіцієнт турбулентної дифузії

Коефіцієнт турбулентної дифузії є основним параметром при розрахунку перемішування води у потоках .

Крім середньої поздовжньої складової швидкості течії Wx на перемішування стоків впливають складові поперечної швидкості. Тому суттєвим моментом в процесі розбавлення стічних вод у проточному водному середовищі є облік поперечної швидкості потоку.

Наявність поперечних складових швидкості потоку призводить до інтенсифікації процесу перемішування. Цей факт відіграє важливу роль у розрахунку розбавлення стічних вод.

Врахування цього фактора здійснюється шляхом введення поправкового коефіцієнта Кw у формулу розрахунку турбулентної дифузії.

Модель турбулентної дифузії будується на постійній глибині, що дорівнює середній на досліджуваній ділянці. Тому не менш важливим є також врахування нерівномірності розподілу глибин на досліджуваній ділянці русла.

Мінливість глибин по довжині русла посилює кінематичну неоднорідність потоку і є одним із факторів турбулізації водних мас.

Врахування цього фактора здійснюється шляхом введення поправкового коефіцієнта Кн в формулу розрахунку турбулентної дифузії.

Для обліку поперечної циркуляції Кw і мінливості глибин Кн на певній ділянці вводиться загальний поправковий коефіцієнт Ко у формулу 3.10 коефіцієнта турбулентної дифузії:

Dп = Ко D . (3.11)

Загальний поправковий коефіцієнт Ко>1 є функція врахування поперечних складових швидкості потоку Кz і мінливості глибин Кн русла:

К о = f (Кw; Кн) . (3.12)


Поправковий коефіцієнт Кw є функція відношення:

Кw = (Wz + Wп ) / Wп , (3.13)

де Wz - середнє значення абсолютної величини поперечної складової швидкості по вертикалі, м/с;

Wп - середнє значення абсолютної величини поперечної складової пульсаційної швидкості, м/с.

Поперечна швидкість Wz потоку характеризує внутрішню циркуляцію. Середнє значення поперечної швидкості по вертикалі обчислюється за формулою

Wz = 0,13 Nт  Wx , (3.14)

де Нс – середня глибина на розрахунковій ділянці, м;

Wx – середнє значення поздовжньої складової швидкості потоку (течії), м/с;

 - радіус кривизни русла нижче від місця випуску стоків, м;

Nт – параметр турбулентності потоку.

Параметр турбулентності потока визначається із співвідношення:

Nт = f сх К сх / g . (3.15)

Значення Nт і fсх залежно від Ксх можна визначити згідно з наведеною таблицею 3.3.

Таблиця 3.3 - Значення fсх і Nт залежно від Ксх

Ксх
10
15
20
25
30
35
40

fсх
13
16.5
20.5
23.5
27
30.5
34

Nт
13.3
25.2
40.8
59.9
82.6
108
139




Ксх
40
45
50
55
60
65
70

fсх
34
37.5
41
44.5
48
48
48

Nт
139
172
209
249
294
318
343

Вплив поперечної швидкості потоку Wz можна враховувати безпосередньо або шляхом введення поправкового множника Кw до коефіцієнта турбулентності D.

Середня абсолютна величина поперечної складової пульсаційної швидкості Wп визначається за формулою

Wп = Wх /  , (3.16)

де Wx - середнє значення поздовжньої швидкості течії, м/с.

Крім поперечної циркуляції потоку, на інтенсивність перемішування значно впливає нерівномірний розподіл глибин на досліджуваній ділянці русла .

Мінливість глибин на досліджуваній ділянці русла річки підсилює кінематичну неоднорідність потоку і є одним із чинників посилення турбулентності водних мас.

Облік цього чинника здійснюється шляхом введення коефіцієнта Кт турбулентності дифузії.

Коефіцієнт турбулентності потоку дорівює величині

Кн = (Нмакс.сер - Нс) / Нс , (3.17)

де Нмакс.сер – максимальна із середніх глибин на досліджуваній ділянці, м;

Нс – середня глибина для всієї ділянки, м.

Отже, для обліку поперечної циркуляції Кz і мінливості глибин Кт на певній ділянці вводиться загальний поправковий коефіцієнт Ко 1 у формулу коефіцієнта турбулентної дифузії:

Dп = Ко D . (3.18)

Для кількісного визначення Кw і Кн можна використати графік (рис.3.4) або виконати розрахунок за такою залежністю:


К о = f (Кw; Кн) = f (  ) (3.19)

Виправлений коефіцієнт турбулентної дифузії Дп, що сумарно характеризує умови перемішування у річковому потоці з урахуванням поперечної циркуляції Кz потоку і мінливості глибин на ділянці русла, дорівнює величині

D п = Ко g Hc Wc / fсх Ксх . (3.20)

Таким чином, розглянуті моделі коефіцієнта турбулентності Кт та коефіцієнта турбулентної дифузії D є важливими розрахунковими показниками характеристик водного середовища, що впливають на перемішування та перенесення стоків у водному середовищі.





Рисунок 3.4 - Номограма для визначення значення

коефіцієнта Ко = f (Кw; Кн)


Тема 4 Моделювання концентрації забруднюючих речовин у водному середовищі

4.1 Процес концентрації забруднюючих речовин

у воді водного об’єкта

Концентрація речовини у воді поверхневого водного об'єкта в розрахунковій точці досліджуваного створу в загальному випадку залежить від ряду умов.

Розрахунок концентрації домішки в контрольному створі Ср здійснюється з урахуванням кратності розбавлення n.

Якщо в місці скидання стоків концентрація даної речовини С=0, то концентрація цієї речовини у контрольному створі розраховується виходячи із залежності

С = Сс / n, (4.1)

де Сс – концентрація даної речовини у стічних водах, г/м3;

n – кратність разбавлення.

Зниження рівня концентрації певної речовини у воді може відбуватися за рахунок осадження під дією сили тяжіння або за рахунок розбавлення.

Так звана зведена величина концентрації речовини в місці випуску стічних вод буде дорівнювати

Спр = Сс - Св , (4.2)

де Сс – концентрація речовин у воді стоку, г/м3;

Св– концентрація речовини у водному об'єкті в місці скидання стічних вод, г/м3.

При виконанні розрахунків розбавлення теж користуються зведеним значенням концентрації речовини Сд в розрахунковій точці створу:

Сд = Сн – Св , (4.3)

де Сн, Св – дійсна (фактична) концентрація речовини у водному об'єкті до Св і після Сн скидання стічних вод (для річки вище і нище місця випуску), г/м3.

Встановлення характеру розповсюдження забруднюючої речовини у воді і ступені розбавлення стійких хімічних речовин у водоймі або водотоці є гідравлічним завданням. Його вирішення дозволяє визначити значення концентрації речовин на будь-якій відстані від джерела (місця) випуску стічних вод.

Середня розрахункова величина концентрації лімітуючої забруднюючої речовини Сл у водотоці (річці) нижче за випуск стічних вод визначається з рівняння балансу речовини.

Середня концентрація лімітуючої забруднюючої речовини Сл обчислюється за формулою

Сл = (Qр Cр + Qс Cс) / (Qр + Qс), (4.4)

де Cр – концентрація речовини у воді річки в місці випуску, г/м3;

Cс – концентрація речовини у стоці, г/м3;

Qр – витрата води у річці, м3/с;

Qс – витрата стічних вод, м3/с.

Розрахунок максимальної можливої концентрації домішки в розрахунковому створі водного об'єкта на відстані L від місця скидання стоків для максимально забрудненого струменя потоку річки (без урахування розміщення цього струменя і без уточнення його форми і розмірів) виконується за формулою

См = Ср + (Сс - Ср) , (4.5)

де Ср – концентрація речовини у річці до випуску, г/м3;

Сс – концентрація речовини у стічній воді, г/м3;

L – відстань (довжина русла по фарватеру) від місця випуску до розрахункового створу, м;

К – коефіцієнт обліку гідроумов змішування;

е = 2,71.

Очевидно, що величина концентрації речовини у будь-якому розрахунковому створі нижче випуску стоків змінюється в межах См ≥ Сп ≥ Ср ≥ 0.

Середня концентрація розчиненого у воді кисню в і-й розрахунковій точці досліджуваного створу дорівнює

Сn+1 =