Исследования атмосферных процессов по снижению рисков массопереноса загрязняющих компонентов в подземные воды инфильтрационных водозаборов Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

ИССЛЕДОВАНИЯ АТМОСФЕРНЫХ ПРОЦЕССОВ ПО СНИЖЕНИЮ РИСКОВ МАССОПЕРЕНОСА ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ КОМПОНЕНТОВ В ПОДЗЕМНЫЕ ВОДЫ ИНФИЛЬТРАЦИОННЫХ ВОДОЗАБОРОВ

RESEARCHES OF ATMOSPHERIC PROCESSES ON DECREASE IN RISKS MASSCONDUCTION OF POLLUTING COMPONENTS IN UNDERGROUND WATERS INFILTRATION OF WATER INTAKES

С. А. Жуков, B.C. Стародубцев

S.A. Zhukov, V.S. Starodubtsev

ВГАСУ

Рассматриваются атмосферные процессы образования туманов в системе городского водохранилища. Показывается возможный массоперенос загрязняющих компонентов из атмосферы в систему инфилътрационных водозаборов подземных вод.

Atmospheric processes of formation of fogs in system of a city water basin are considered. It is shown possible massconduction polluting components from atmosphere in system infiltration water intakes of underground waters.

При рассмотрении процессов из воздуха в приводный слой и обратно для сухого воздуха как неконденсирующейся компоненты, поверхность жидкости является непреодолимой преградой. Так как поступление воздуха к поверхности жидкости привело бы к общему повышению давления, - что, естественно, противоречит законам физики, то возникает движение упомянутого от поверхности жидкости, которое носит уже конвективный характер.

Поскольку водная поверхность водохранилища, с позиций физической метеорологии [5] является подстилающей поверхностью с присущей этой поверхности значением шероховатости z0, то следует вести речь о конвективном движении над подстилающей поверхностью.

Однако и экспериментальные и теоретические исследования института прикладной геофизики АН России [1] показали, что подавляющее большинство конвективных потоков в атмосфере не «привязано» к характерным особенностям подстилающей поверхности (шероховатости z0, например), как это имеет место в случае гор, а возникает спонтанно в приземном слое со сверхадиабатическими градиентами температур.

Экспериментальные исследования конвективных потоков в атмосфере, которые проводились методом их индикации по температуре при горизонтальном полете на самолете, оборудованном чувствительным термометром; показали, что ни в одном из проведенных экспериментов (всего было экспериментов 30424) количество восходящих конвективных потоков составляло не менее 84%, наличие кон-

4./2011 ВЕСТНИК _4/20|Т_МГСУ

вективных потоков, не связанных со значением шероховатости подстилающей поверхности г0, можно считать установленным и рассматривать такое движение как движение жидкости (газа), подогреваемой снизу, что и позволяет для описания испарения с поверхности Воронежского водохранилища применить задачу Релея о верхней и нижней границах слоя, в котором развивается конвективная циркуляция для случая двух свободных границ.

По Релею [4], существует характеристическое число К (с различными численны-

„ 27-я4

ми значениями для двух свободных поверхностей---— , для двух твердых границ -

1707,8 и для одной свободной поверхности и одной твердой границы - 1100,6), являющееся условием развития конвективной циркуляции. Другими словами для нашего конкретного случая - конвективный перенос тепла и влаги в турбулентной атмосфере представляется возможным записать в виде [4]:

ЬК^ = 657,5 (1)

(^)2

Р

где ¡5 - коэффициент расширения воздуха; у - сверхадиабатический градиент температур [2]; К1 - коэффициент турбулентного обмена (в терминах метеорологии для подстилающей поверхности с шероховатостью г0); р - плотность жидкости (газа); Ъ - толщина слоя с неустойчивой стратификацией температуры.

Поскольку речь идет лишь об оценке, то количество ярусов циркуляции не определяется.

Если, в соответствии с данными [4], принять у = 7 • 103 град/см., а значение коэффициента турбулентного обмена оценить для подстилающей поверхности с шероховатостью 20 (как показано в [3] для ограниченных и неограниченных водоемов 20 = 0,3

К

см) оценить по зависимости = 0,025, где и- скорость ветра на расстоянии 25 см от

водной поверхности - рисунок 2.6), то численное значение решения задачи Релея принимает виддля К1 = 70* 0,025 = 3,65

0.0037 • 980 • 7 -10"4 • кА )2

= 657,5 Ъ4=4.661012 см; Ъ=14,7 м.

1.3-10"

Таким образом, граница тумана может быть оценена высотой в 15 м от уровня водной поверхности водохранилища. С этих же, оценочных позиций, но наш взгляд следует рассматривать рассеивание примеси для Воронежского водохранилища: выше тумана (выбросы автомобильного транспорта, курсирующего по мостам) и в пределах тумана (с учетом наличия бризовой циркуляции), если речь идет о выбросах промышленных предприятий, граничащих с акваторией водохранилища, и автотранспорта, перемещающегося по магистралям, прилегающим к водохранилищу.

В заключение отметим, что в [2] со ссылкой на экспериментальные исследования указывается на образование большинства туманов конденсации при (р = 80%. Как следует из статистической обработки материалов Воронежского областного центра гидрометеорологии, значение относительной влажности ^=82% соответствует вероятности 90%. Другими словами, появление тумана над поверхностью водохранилища представляется весьма ординарным событием.

Результаты проведенных исследований по изучению экологических особенностей эксплуатации Воронежского водохранилища и процессов массопереноса загрязняющих компонентов в подземных водах позволили определить мероприятия по уменьшению рисков массопереноса загрязняющих компонентов из атмосферы в систему поверхностые-подземные воды водозабора подземных вод (ВПВ) №11 г.Воронеж (рис.1).

Рис.1. Воронежское водохранилище и система ВПВ № 11

Наличие в охранной зоне ВПВ №11 автомобильного моста дороги первой категории с интенсивностью движения до 35200 авт/сут и особенности установившейся конвективной циркуляции (граница тумана оценена высотой в 15 м) потребовали для снижения загрязнения атмосферы и поверхностного стока с моста применить специальные конструкции (экраны) высотой 3 ми длиной ограждения на подходах к мостовому сооружению 18 м от начала и конца сооружения с отводом воды через водоотводные трубки в 2 ряда диаметром 60 мм в водоприемную сеть с использованием закрытых лотков для отвода воды от водоотводных трубок за пределы конструкций моста.

Литература

1. Абрамович, Г.Н. Турбулентные свободные струн жидкостей и газов /Г.Н. Абрамович. - М.: Академкнига, 1998. - 315 с.

2. Амелин, А.Г. Теоретические основы образования тумана / А.Г.Амелин.- М.:Химия.-1972 -

304 с.

3. Оболенский, В.Н. Метеорология / В.Н.Оболенский. -Т.1 - М.: ГИМИЗ, 1938-503 с.

4. Пентл, Р. Методы системного анализа окружающей среды /Р. Пентл.- М.: Мир, 1979. -С.123-129.

5. Семенченко, Б.А. Физическая метрология / Б.А.Семенченко. - М.: Аспект-пресс, 2002. -

415 с.

4./2011 ВЕСТНИК _4/20ТТ_МГСУ

References

1. Abramovich, H. Turbulent free streams of liquids and gases / G.N.Abramovich. - M: AKademkniga, 1998. - 315 p.

2. Amelin, A.G. Theoretical of a basis of formation of a fog A.G.Amelin. - M.:Chemistry.-l972-

304 p

3. Obolensky, V.N.Meteorology / V.N.Obolensky.-V.l - M: GIMIZ, 1938-503 p.

4. Pentl, R. Metody of the system analysis of environment / R. Pentl. - M: World, 1979. - P.123-129.

5. Semenchenko, B. A. Physical metrology / B.A.Semenchenko. - M: Aspect-press, 2002. - 415 p.

Ключевые слова: диффузия водяного пара, туман, высота тумана, водозабор подземных вод, массоперенос.

Keywords: diffusion of water steam, fog, fog height, water intake of underground waters, massconduc-

tion.

E-mail star@geol.vsu.ru

Рецензент профессор д.т.н. Потапов А.Д. МГСУ каф.ИГиГЭ