Расчет разбавления в водотоках и водоемах

Глава 4. ПОВЕРХНОСТНЫЕ ВОДЫ.

Общие положения.

Работа промышленных предприятий связана с потреблением воды. Вода используется в технологических процессах, вспомогательных или входит составной частью выпускаемой продукции. При этом образуются сточные воды, которые подлежат сбросу в близ лежащие водные объекты.

Сточные воды можно сбрасывать в водные объекты, при условии соблюдения гигиенических требований применительно к воде водного объекта в зависимости от вида водопользования.

В соответствии с "Правилами охраны поверхностных вод" [1], все водные объекты подразделяются на два вида водопользования:

I вид – хозяйственно-питьевое и культурно-бытовое водопользование;

II вид – рыбохозяйственное водопользование.

Каждый вид водопользования разделен еще и на категории.

– Хозяйственно-питьевое и культурно-бытовое водопользование.

I категория – водные объекты, используемые в качестве источников хозяйственно-питьевого водоснабжения, а также для водоснабжения предприятий пищевой промышленности.

II категория – водные объекты, используемые для купания, занятия спортом и отдыха населения.

– Рыбохозяйственное водопользование.

Высшая категория – места расположения нерестилищ, массового нагула и зимовальных ям особо ценных и ценных видов рыб и других промысловых водных организмов;

I категория – водные объекты, используемые для сохранения и воспроизводства ценных видов рыб, обладающих высокой чувствительностью к содержанию кислорода;

II категория – водные объекты, используемые для других рыбохозяйственных целей.

При сбросе сточных вод в водные объекты нормы качества воды водного объекта в расчетном створе, расположенном ниже выпуска сточных вод, должны соответствовать санитарным требованиям в зависимости от вида водопользования.

Нормы качества воды водных объектов включают:

- общие требования к составу и свойствам воды, водных объектов в зависимости от вида водопользования;

- перечень предельно допустимых концентраций /ПДК/ нормированных веществ в воде водных для различных видов водопользования.

В расчетном створе вода должна удовлетворять нормативным требованиям. В качестве норматива используется предельно-допустимая концентрация – ПДК.

Все вредные вещества, для которых определены ПДК подразделены по лимитирующим показателям вредности /ЛПВ/. Принадлежность веществ к одному и тому же ЛПВ предполагает суммацию действия этих веществ на водный объект.

Для водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования отвечают три ЛПВ: санитарно-токсикологический, общесанитарный и органолептический.

Для рыбохозяйственных: санитарно-токсикологический, токсикологический, рыбохозяйственный, общесанитарный, органолептический.

Вещества, концентрация которых изменяется в воде водного объекта только путем разбавления, называются консервативными; вещества, концентрация которых изменяется как под действием разбавления, так и вследствие протекания различных химических, физико-химических и биологических процессов – неконсервативными.

Процессы, изменяющие характер веществ, поступающих в водные объекты, называют процессами самоочищения. Совокупность разбавления и самоочищения составляют обезвреживающую способность водного объекта.

Представим ситуацию, когда промышленное предприятие сбрасывает сточные воды после технологического процесса (рис.4.1).

		I

Рис.4.1. Ситуационная схема для расчета условий сброса сточных вод.

ПП – промышленное предприятие,

ОС – очистные сооружения.

О-О – "нулевой" створ, где производится сброс сточных вод,

I-I – "расчетный" створ, начиная с которого воды водного объекта должны отвечать санитарным требованиям для данного вида водопользования.

С_сбр. – концентрация загрязняющих веществ в сточной воде, подлежащей сбросу.

При сбросе сточных вод в водные объекты хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования расчетный створ должен устанавливаться на водотоках в одном километре выше ближайшего по течению пункта водопользования (водозабор для хозяйственно-питьевого водоснабжения, места купания, организованного отдыха, территории населенного пункта и т.п.), а на непроточных водоемах и водохранилищах – в одном километре в обе стороны от пункта водопользования.

При сбросе сточных вод в водные объекты рыбохозяйственного водопользования расчетный створ определяется в каждом конкретном случае республиканской (областной) администрацией по представлению органов Госкомприроды, но не далее, чем в 500 м от места сброс сточных вод.

Таким образом, для разных видов водопользования качество воды водного объекта, при сбросе в него сточных вод, должно соответствовать в расчетном створе (рис.4.2, 4.3).

Рис.4.2. Ситуационная схема для водотока культурно-бытового водопользования. О-О – "нулевой створ", I-I – расчетный створ, М – граница населенного пункта, использующего водоток для купания и отдыха населения	Рис.4.3. Ситуационная схема для водотока рыбохозяйственного водопользования. О-О – нулевой створ, I-I – расчетный створ. Водоток используется в рыбохозяйственном направлении.

При сбросе сточных вод в водные объекты санитарное состояние водного объекта в расчетном створе считается удовлетворительным если соблюдается следующее условие:

(4.1)

где С – концентрация i-го вещества в расчетном створе при условии одновременного присутствия Z веществ, относящихся к одному и тому же ЛПВ; i = 1,2,…Z;

Z – количество веществ с одинаковым ЛПВ,

С – предельно допустимая концентрация этого вещества.

Основной механизм снижения концентрации загрязняющего вещества при сбросе сточных вод в водные объекты – разбавление.

В практике расчетов используют понятие – кратность разбавления. Кратность разбавления в водотоке у расчетного створа выражается зависимостью:

n =

(4.2)

где γ – коэффициент смешения, показывающий, какая часть воды водотока участвует в разбавлении;

q – максимальный расход сточных вод [ м³/с];

Q – расчетный минимальный расход воды водотока в контрольном створе, [м³/с].

При определении кратности разбавления сбрасываемых сточных вод водой водотока расчетный расход Q принимается при следующих условиях:

- для незарегулированных водотоков – расчетный минимальный среднемесячный расход воды года 95%-ной обеспеченности;

- для зарегулированных водотоков – установленный гарантированный расход ниже плотины (санитарный пропуск) с учетом исключения возможных обратных течений в нижнем бьефе.

- расчетный расход может быть получен в установленном порядке в органах Госкомгидромета.

-

Расчет разбавления в водотоках и водоемах.

Наибольшее распространение получил метод В.А.Фролова – И.Д.Родзиллера для водотоков. Этот метод применим для больших и средних водотоков. (Приложение 2.) С соответствии с этим методом определяется коэффициент смешения, который находят:

γ=

(4.3)

где Q – среднемесячный расход воды водотока 95%-ой обеспеченности [м³/с];

q – максимальный расход сточных вод, подлежащих сбросу в водоток, [м³/с];

L –расстояние по фарватеру водотока от места выпуска до расчетного створа, [м];

a – коэффициент, зависящий от гидравлических условий смешения:

a = xj

(4.4)

где x – коэффициент, зависящий от расположения выпуска сточных вод в водоток;

– при выпуске у берега x = 1

– при выпуске в фарватер x = 1,5;

j – коэффициент извилистости водотока, т.е. отношению расстояния между рассматриваемыми створами водотока по фарватеру к расстоянию по прямой;

D – коэффициент турбулентной диффузии.

Для равнинных рек и упрощенных расчетов, коэффициент турбулентной диффузии находят по формуле М.В.Потапова:

D =

(4.5)

где V_ср – средняя скорость течения водотока на интересующем нас участке между нулевыми расчетными створами, м/с;

Н_ср – средняя глубина на этом участке, м.

Для детальных расчетов D определяется [ 2 ]:

D =

(4.6)

где Н_ср – средняя глубина на рассматриваемом участке, м;

V_ср – средняя скорость течения водотока на участке, м/с;

q – ускорение свободного падения, м/с²;

C – коэффициент Шези, м^1/2/с;

М – коэффициент, зависящий от С.

При условии:

10<С<60 М = 0,7С+6,

при С³60 М = 48 = const.

Произведение МС имеет размерность м/с².

При переменных гидравлических условиях на отдельных участках распространения сточных вод до расчетного створа коэффициент турбулентной диффузии определяется для каждого участка по выражению (6), а затем для всей расчетной длины по соотношению:

D =

(4.7)

где D₁, D₂, D_n – коэффициенты турбулентной диффузии отдельных участков,

L₁, L₂, L_n – протяженность отдельных участков.

При решении задач о распространении и транспорте растворенных и взвешенных веществ в естественных потоках, В.М.Маскавеевым [ 4 ]предложено уравнение:

	(4.8)

где С – концентрация загрязняющего вещества в воде, мг/л;

t – время, с;

U – гидравлическая крупность взвешенных веществ, м/с (для растворенных веществ U=0 и уравнение записывается без последнего члена);

V_x, V_y, V_z – компоненты скорости течения (м/с) относительно координат x, y, z (м). Ось x направлена по течению потока, ось y – от поверхности ко дну, ось z - по ширине потока.

D – коэффициент турбулентной диффузии (м²/с).

А.В. Караушевым [3] разработаны детальные методы решения уравнения турбулентной диффузии, позволяющие получать поле концентрации загрязняющего вещества в пределах всего рассматриваемого участка, от места сброса сточных вод до контрольного створа.

Уравнение (4.8) может быть существенно упрощено, например, в случае рассмотрения задачи распространения загрязнения в воде в одной какой-либо плоскости. Например, в горизонтальной, когда решается т.н. плоская задача. Уравнение запишется в виде:

Vx

(4.9)

Эта задача возникает, в частности, в том случае, когда по вертикальной оси перемешивание загрязняющих веществ с водой происходит очень быстро, поперечные течения отсутствуют и интересно проследить распространение загрязняющих веществ по ширине потока на различных расстояниях от места сброса сточных вод.

Используемые при расчете граничные условия основаны на принципе сохранения вещества, учитывающие, что перенос загрязняющего вещества через поверхность ограничивающую поток жидкости равен нулю, т.е. для береговой черты потока граничные условия запишутся в виде:

D

(4.10)

Поскольку коэффициент D не может равняться нулю (D¹0), то выражение (4.10) приобретает вид:

(4.11)

Начальные условия могут задаваться либо в виде распределения концентрации загрязняющего вещества на начальном поперечнике, либо в виде расхода и концентрации поступающего в водный объект загрязняющего вещества с указанием места его поступления.

Уравнение (4.9) можно записать в форме конечных разностей. Содержащиеся в нем дифференциалы ¶с, ¶x, ¶z заменяются конечными приращениями Dс, Dx, Dz.

Уравнение (4.9) приобретает вид:

(4.12)

Для расчета турбулентной диффузии всю расчетную область потока делим плоскостями, параллельными координатным, на расчетные клетки – элементы. По оси Х таких элементов k, по оси Z – m. Каждому элементу присваивается свой индекс по соответствующим осям координат.

Изменение индекса на единицу показывает переход от одного элемента к соседнему. Значениям концентрации в каждом элементе присваиваются те же индексы (рис.4.4).

К К+1 К+2

Экстрополяция	СК1 экстр.
Боковая стенка 1	СКр1	Ск+1,1
	СК,2
m-2	CК,m-2
m-1	CК,m-1
m	CК,m	Ск+1,m
m+1	CК,m-1
m+2	CК,m+2	DХ	Δ z

Z

Рис.4.4. Сетка к расчету турбулентной диффузии для условий плоской задачи.

Расчетное уравнение, позволяющее определять распространение концентрации затрудняющего вещества по длине и ширине потока, т.е. для условий плоской задачи, записывается в виде:

Ск+1,m=0,5 (Ск-1,m+ Ск, m+1)

(4.13)

Значения DХ и DZ связаны зависимостью:

(4.14)

Коэффициент турбулентной диффузии определяется по формуле (4.6).

Когда затрудняющее вещество достигнет граничных поверхностей потока, для расчета диффузии, необходимо учитывать особые условия у стенок, уравнение (4.11), которое в конечных разностях запишется в виде:

(4.15)

Поле концентраций и расчетную сетку можно условно распространить и за пределы потока (за стенку), т.е. проэкстраполировать концентрацию за ограничивающую водный поток поверхностью.

При этом, экстраполяционное значение концентрации С_к, _{экстроп.} в элементе, примыкающем к внешней поверхности стенки и значение концентрации С_к,1 в элементе находящемся в потоке и примыкающем к внутренней поверхности стенки, должны удовлетворять условию (4.15), что возможно только когда соблюдается:

Ск, экстр. = Ск,1

(4.16)

Соотношение (4.16) определяет правило экстраполяции концентрации загрязняющего вещества. При определении диффузии экстраполяционные значения концентрации используют как действительные. При выполнении расчета, на плане водного объекта обозначают место поступления сточных вод в водный объект (начальный створ). Ниже по течению поток схематизируется и делится на расчетные элементы. Скорость поступления сточных вод в водный объект в месте сброса V_ст. принимается равной скорости течения водотока V_ср.

Вычисляется условная площадь поперечного сечения притока d в месте его впадения по формуле:

(4.17)

Определение ширины загрязненной струи потока b в нулевом створе производят по формуле:

(4.18)

В соответствии с величиной b назначается ширина расчетного элемента ΔZ.

Наиболее допустимая величина ΔZ. При береговом сбросе сточных вод находится из соотношения

(4.19)

При выпуске сточных вод на некотором расстоянии от берега или в фарватере величина ΔZ находится из соотношения:

(4.20)

Необходимо соблюдать условие, при котором, при назначении величины Δ Z выполнялось неравенство

(4.21)

где В – ширина водотока.

Таким образом, при расчете турбулентной диффузии весь участок потока (от нулевого створа до расчетного или створа, который нас интересует по условиям решаемой задачи делят на клетки со сторонами Δ X и Δ Z, получая расчетную сетку.

Клетки, попавшие в водоток со сточными водами в начальном поперечнике (нулевой створ), заполняются числами, выражающими концентрацию загрязняющего вещества в сточной воде, остальные клетки – заполняются числами, отражающими естественную концентрацию загрязняющего вещества в водотоке (в частном случае это может быть нулевая концентрация).

Если протяженность интересующего участка водотока велика, а размеры клеток малы, то расчет ведут до определенного створа, после чего клетки в сечении объединяют (укрупняют), получая новые средние значения концентрации загрязняющего вещества и новые линейные параметры клетки. Значения концентраций загрязняющего вещества получают как среднее арифметическое из суммы концентраций объединенных клеток.

Укрупнение клеток можно повторять несколько раз, начиная с определенного раствора.

При сбросе сточных вод в водоемы расчет разбавления сточных вод производят по методу Н.Н. Лапшева [5]. Этот метод применим для рассеивающих и сосредоточенных выпусков при следующих допущениях:

- скорость истечения сточных вод в водоем должна быть более 2 м/ч;

- выпуск сточных вод находится на некотором удалении от берега и относительная глубина в месте установки выпуска должна быть более 30. / Н – глубина водоема в месте установки выпуска, м; d₀ – диаметр выпуска, м.

Наименьшее разбавление, наблюдающееся на расстоянии L от места выпуска определяется по выражению:

(4.22)

где А – параметр, определяющий изменение разбавления при применении различных конструкций выпуска. При сосредоточенном выпуске А=1;

Р – параметр, зависящий от скорости проточности водоема и нагрузки на него сточных вод;

S – параметр, зависящий от относительной глубины водоема.

При этом, предлагаются два случая:

- когда движение воды в водоеме определяется стоком, параметр Р рассчитывается по формуле

(4.23)

где L_B - длина водоема от места выпуска сточных вод в направлении стокового течения, м;

ω₀ - суммарная площадь выпускных отверстий, м²;

β₀ - период обмена воды в водоеме, годы;

W₀ - объем сбрасываемых сточных вод в течении года, м³/год;

- если течение в водоеме определяется нагонными ветрами и скорость этого течения известна, то параметр Р рассчитывается по формуле:

(4.24)

где V_n - скорость течения в водоеме, м/с;

V₀ - скорость истечения сточных вод из выпуска, м/с.

Параметр S рассчитывается по формуле:

(4.25)

где Н – глубина водоема в месте выпуска, м.

Параметр S≤1.