Расчет распространения примесей в водных объектах

Для расчетов процесса разбавления необходимо иметь план водного объекта, чтобы определить положения створов и коэффициенты извилистости. Все гидравлические параметры определяются при заданном расчетном расходе.

Степень (кратность) полного разбавления п выражается кратностью разбавления:

где Q — разбавляющая вода водоема, м³/с; q — разбавляемая сточная вода, поступающая в водоем, м³/с.

В реальных условиях процесс смешивания сточных вод может быть осложнен рядом факторов. Кратность разбавления следует определять по формуле:

где у — коэффициент смешивания, указывающий на степень полноты разбавления сточных вод.

Условия спуска сточных вод в водоем оценивают с учетом их влияния у ближайшего пункта водопользования, где следует определять кратность разбавления. Наиболее часто для этого используется метод Фролова — Родзиллера:

где е — основание натурального логарифма; а — коэффициент, учитывающий гидравлические факторы смешения; — расстояние до рассматриваемого створа по течению (фарватеру) реки, м:

где С, — коэффициент, зависящий от места выпуска стока в реку: при выпуске у берега С, = 1, при выпуске в стержне реки (место наибольших скоростей)? = 1,5; ср — коэффициент извилистости реки, равный Ьф/Ь_пр, т. е. отношению расстояния по фарватеру полной длины русла от выпуска сточных вод до рассматриваемого створа к расстоянию между этими двумя пунктами по прямой; D — коэффициент турбулентной диффузии:

где v_cp — средняя скорость течения, м³/с; Н_ср — средняя глубина, м; g — ускорение свободного падения, g = 9,81 м/с²; т — коэффициент Буссинеска, т ~ 24; с — коэффициент Шези, который определяется по таблице. При условии 10 < с < 60 т = 0,7 с+ 6, при с > 60 гп = 48 = const; т имеет размерность м/с².

Коэффициент Шези в гидравлических расчетах характеризует интенсивность турбулентного перемешивания водных масс. Максимальные его значения характерны для слабого перемешивания, и, наоборот, минимальные дают представление об эффекте интенсивного смешивания.

Коэффициент при наличии измеренных гидравлических уклонов / вычисляют по формуле

где v_cp — средняя скорость потока, м/с; R — F ? у ~ гидравлический радиус потока, м; F — площадь живого сечения, м²; х — смоченный периметр, м.

При отсутствии наблюдений за уклонами с определяется, но формуле Н. Н. Павловского:

где п_т — коэффициент шероховатости русла реки; у — показатель, являющийся функцией п_т и R. Значение п_ш изменяется от 0,02 до 0,06 в зависимости от характера русла.

При R < 1 м у = 1,5yjn^', R > 1 м у = 1,3yfn^.

В условиях широкой реки можно принять R = Н, т. е. гидравлический радиус равен средней глубине реки Я, м. В этом случае 1 = В, где В — ширина реки, м. Следовательно, R может быть рассчитан как отношение F/B.

Для равнинных рек расчет коэффициента турбулентной диффузии может быть проведен упрощенно (формула М. В. Потапова):

где «_ср — средняя скорость водотока на участке между нулевым и расчетным створами, м/с; Н_ср — средняя глубина водотока на рассматриваемом участке, м.

Аналитический метод расчета разбавления сточных вод основан на применении полуэмпирического уравнения турбулентной диффузии:

где с — концентрация загрязняющих веществ, мг/дм^3; t — время, с; V_x, V_y, V_z — компоненты скорости течения, м/с, относительно составляющих координат (д — продольная, у — от поверхности ко дну, z — но ширине потока); D — коэффициент турбулентной диффузии, м²/с; F (с) — функция неконсервативности загрязняющего вещества.

Это уравнение существенно упрощается при решении задачи в какойлибо одной плоскости. Например, для решения «плоской задачи» распространения примесей подлине реки используется уравнение.

Начальные граничные условия предполагают, что спуск сточных вод принимается стационарным для dc/dt = 0, а ширина реки гораздо больше, чем глубина. Обмен веществ через граничащую поверхность минимален, а ложе загрязнения водоема непроницаемо для загрязняющего вещества, т. е. сохраняется уравнение баланса.

Процессы самоочищения и трансформации примесей в водотоке достаточно наглядно отражаются на основе мониторинга содержаний, химического и биологического потребления кислорода (ХПК, ВПК). Это особенно актуально при загрязнении водотоков и водоемов органическими загрязнителями.