CC BY
5
тельной (в течение 3 часов) показывает, что в квартирах с неорганизованным воздухообменом (контрольные квартиры) интенсификация сжигания газа приводит к более резкому повышению концентрации СО (с 0,0078 до 0,0397 мг/л), чем в контрольных квартирах с организованным воздухообменом (с 0,007 до 0,01 мг/л).
Приведенные данные позволяют считать, что приточно-вытяжная система вентиляции квартир, обеспечивающаяся воздушным отоплением, способствует значительному снижению загрязнения воздуха квартир продуктами сжигания газа. Однако снижение концентрации СО в воздухе квартир до предельно допустимого уровня возможно только при соблюдении соответствующего расхода приточного воздуха. Когда газорые плиты не включаются (ночные и некоторые дневные часы), такие условия создаются при расходе воздуха, обеспечивающем не менее чем 2-кратный воздухообмен в комнатах. Если же газ используется со средней интенсивностью (в течение 2 часов на 2 горелках), то воздухообмен должен быть не ниже 2,5 в час; при более интенсивном использовании газа эта величина должна быть доведена до 5 обменов в час.
Поступила 15/111 1965 г.
УДК 628.3
исследование горизонтальной турбулентной диффузии как важного фактора рассеяния сточных вод в прибрежной зоне моря
Канд. географ, наук В. И. Зац Институт биологии южных морей АН УССР, Севастополь
Исследование поведения сточных вод, сбрасываемых в море,— актуальная проблема санитарной охраны прибрежной зоны. Попадая в море, эти воды переносятся течениями, рассеиваются и разбавляются процессами диффузии и т. д.
При сбросе на мелководье сточные воды, будучи легче морских вод, поднимаются на поверхность моря и затем перебрасываются течениями на расстояния до 1—5 км, а иногда и на десятки километров. Во время такого переноса они рассеиваются процессами горизонтальной диффузии. Благодаря этому поток или поле сточных вод расширяется, а концентрации примесей в нем падают. Таким образом, горизонтальная диффузия, способствуя рассеянию сточных вод, играет существенную роль в процессах их перемешивания с морскими водами и разбавления.
Отечественные и зарубежные исследователи показали, что это один из главных факторов, влияющих на судьбу сточных вод в море (А. В. Караушев; Вгоокэ, и др.). Несмотря на некоторые достижения в данной области, следует признать, что горизонтальная турбулентная диффузия, в особенности приложение ее к рациональному удалению сточных вод в море, находится в начальной стадии изучения (В. И. Зац, 1965). Естественно, что эксперименты в этом направлении могут дать ценные сведения для решения ряда практических задач.
В настоящем сообщении приводятся результаты исследования коэффициентов горизонтальной диффузии в прибрежной зоне Черного моря и их зависимости от некоторых определяющих факторов — масштабов явления (или размеров пятен примесей), скоростей поверхностных течений и удаленности от берега. Эти коэффициенты служат важнейшими параметрами при расчетах турбулентной диффузии, так как они определяют собой интенсивность рассеяния или перемешивания. Методика эксперимента и расчета коэффициентов, базирующаяся на идеях Л. Ф. Ричардсона и Г. Стоммела, описана нами ранее (1964). В качестве диффундирующих частиц на поверхности моря использовались свободно передвигающиеся поплавки. Наблюдения за дрейфом их проводились как в узкой прибрежной зоне (шириной 0,5—0,8 миль), так и на расстоянии 2,5—5 миль от берега с экспедиционного судна «Московский университет».
Анализ свыше 3000 определений коэффициентов диффузии подтвердил выводы ряда исследователей (Р. В. Озмидов; Gunnerson; Ichiye и Olson, и др.), что коэффициенты существенно зависят от масштаба явления (например, размеров диффундирующих пятен). Это объясняется тем, что с увеличением расстояния между диффундирующими частицами в их рассеивании или «растаскивании» начинают участвовать турбулентные вихри все больших и больших размеров. Они обеспечивают рост пятен примеси, что и воспринимается как процесс горизонтальной диффузии.
Однако, по данным опытов, характер этой зависимости для узкой прибрежной зоны неидентичен закону */3. Этот закон, открытый Л. Ф. Ричардсоном и А. М. Обухо-
вым (Р. В. Озмидов), показывает, что коэффициенты диффузии [К (')] и масштабы явления (I) связаны между собой следующим соотношением:
*(/)=С/4/з, (1)
где С — постоянный коэффициент.
По данным наших экспериментов, в узкой прибрежной зоне района Ялты показатель степени при I оказался равным 0,4, что почти в 3 раза меньше, чем в формуле (1). Для отдельных пусков поплавков показатель степени колебался в пределах 0,21—1,20, но ни разу не достигал величины 4/з- Осредненные величины масштаба явления (расстояния между диффундирующими поплавками) лежали в пределах 25—400 м. Зависимости коэффициентов диффузии от масштаба явления для узкой прибрежной зоны Ялты, Кацивели и в 2,5—5 милях от берега в районе Южного берега Крыма показаны на рис. 1. Такое значительное отклонение от так называемого закона 4/3 (который, по
К(е)смг1сен
масштаб явления (6 м) о /962г а 1963г.
Рис. 1. Графики зависимости коэффициентов горизонтальной диффузии от масштаба явления (осредненные данные по всем пускам свободно дрейфующих поплавков).
Шкалы на осях логарифмические, а — узкая прибрежная зона в районе Ялты; 6 — узкая прибрежная зона в районе Кавицели; в — данные пусков поплавков с судна «Московский университет» в 2,5—5 милях от берега (Южный берег Крыма).
данным многих авторов, хорошо оправдывается в открытом море) связано со спецификой прибрежной зоны, где на процессы турбулентной диффузии влияют близость берега, условия плотностной переслоенности вод, структура прибрежных течений и др.
Важно подчеркнуть, что эксперименты, проведенные в 2,5—5 милях от берега с судна «Московский университет», подтвердили, что в этой зоне закон 4/з оправдывается. Это, по-видимому, связано с тем, что опыты проводились сравнительно далеко от берега, где рельеф дна, условия плотностной переслоенности и структура прибрежных течений характеризуются меньшей изменчивостью, чем в узкой прибрежной зоне.
Для сравнения следует указать, что Оиппегвоп со своим коллегой Р1гзоп, по данным экспериментов с пятнами краски в 5 милях от берега в заливе Санта-Моника (Калифорния), пришли к выводу, что зависимость коэффициентов диффузии от масштаба явления также подпадает под действие закона 4/з. Эти опыты проводились для выяснения условий диффузии сточных вод города Лос-Анжелеса, которые сбрасываются в этом заливе. Действительно, крупные глубоководные выпуски сточных вод протяженностью 5—7 миль от берега, оканчивающиеся на глубинах 60—100 м, были построены в этом заливе в 1959 г. Ряд исследователей, участвовавших в проектировании этих выпусков, при оценке эффекта горизонтальной диффузии потока сточных вод отдавал предпочтение закону 4/3, ссылаясь на результаты опытов ОиппегБОп и Р1гзоп.
Таким образом, наблюдаемое нами отклонение от закона 4/з в узкой прибрежной зоне Черного моря и то обстоятельство, что в более удаленной зоне в 2,5—5 милях от берега этот закон оправдывается, говорят о существенном возрастании интенсивности горизонтальной диффузии с удалением от берега. Это возрастание хорошо прослеживается на графике (рис. 2), где, по данным экспериментов, показано изменение коэффициентов диффузии с удалением от берега для различных масштабов явления. Так, из графика следует, что коэффициент диффузии в 500 м от берега (для масштаба явления 200—300 м) составляет в среднем 55-Ю2 см2/сек, а в 5 км от берега достигает 150X X 102 см2/сек. Иначе говоря, в 5 км от берега интенсивность горизонтального рассеяния на поверхности моря почти в 3 раза больше, чем в 500 м от берега. Как видно, усиление диффузии довольно значительное. Это можно объяснить тем, что в узкой прибрежной зоне близость берега, его изрезанность, сложная топография дна, сложное строение слоя скачка плотности в определенной мере ограничивают процессы диффузии. Вместе с тем чем дальше от берега, тем больше возможностей для роста масштабов явления и тем слабее действуют эти ограничения. Кроме того, с удалением от берега возрастают скорости течений (В. И. Зац, 1963), что также способствует усилению горизонтальной диффузии. Следует отметить, что В. Г. Лабейш на основе других данных также отмечает возрастание интенсивности горизонтальной диффузии с удалением от берега.
Эксперименты с дрейфующими поплавками показали, что интенсивность горизонтальной диффузии существенно зависит от скоростей течений. Для скоростей от 4 до 42 см/сек и фиксированного масштаба явления 150—250 м осредненные коэффициенты диффузии хорошо ложатся на отрезок прямой линии (рис. 3). В этом случае для малого диапазона скоростей течений и фиксированного масштаба явления отмечается линейная зависимость. Однако указанный диапазон скоростей имеет наибольшую повторяемость в прибрежной зоне Южного берега Крыма (93—99% в поверхностном слое). Результат, показанный на рис. 3, представляется интересным, так как он свидетельствует о том, что
Расстояние от берега ( в км) о масштаб явления 200-300 м □ Масштаб, явления 50-200к
Рис. 2. Изменение коэффициентов горизонтальный диффузии с удалением от берега для различных масштабов явления (50— 200 и 200—300 м).
Шкалы на осях логарифмические.
I
и -Q.
i"*
Ксмг/сен
60-1ог 60-ю2
WW* зою2 20 WZ -tow2 ]
5 10 15 20 25 30 35 ¿0 Спорости течений
U см!сек
Рис. 3. График зависимости коэффициента горизонтальной диффузии от скоростей течений для масштаба явления 150—250 м и скоростей течения в диапазоне 4—42 см/сек. На осях отложены обычные шкалы.
наблюдаемый рост интенсивности горизонтальной диффузии обусловлен также усилением течений с удалением от берега.
На основе полученных результатов можно сформулировать вывод, имеющий значение при сбросе сточных вод у побережья Черного моря (Южный берег Крыма, Кавказское побережье). Рассеяние поля примесей процессами горизонтальной турбулентной диффузии будет происходить тем интенсивнее, чем дальше от берега это поле удалено (так как коэффициенты диффузии возрастают с удалением от берега и усилением течений) и чем больше размеры самого поля сточных вод (так как коэффициенты растут с увеличением масштаба явления или размеров поля примеси). Наибольший эффект рассеяния сточных вод будет достигнут по крайней мере на расстояниях свыше 2,5 мили от берега, где начинает действовать закон 4/з-
Тесная связь между степенью рассеяния и размерами поля сточных вод указывает на то, что первоначальный выпуск их должен осуществляться не из точечного источника.
как бывает в большинстве случаев, а из рассредоточенного, в виде диффузоров, т. е. системы труб с многочисленными бортовыми отверстиями, из которых сточные воды истекают в виде многих мелких струй. В последние годы крупные диффузоры в конце глубоководных выпусков построены в заливе Санта-Моника и других пунктах Калифорнии (Roivn и соавторы; Btooks, и др.). Достаточно отметить, что построенный здесь океанический выпуск сточных вод протяженностью 5 миль от берега (на глубинах около 60 м) оканчивается диффузорами общей длиной около 2000 м. Такие диффузоры усиливают начальное разбавление сточных вод с морскими и способствуют образованию поля или облака сточных вод.
На основе проведенных экспериментов можно оценить скорость горизонтальной диффузии (или скорость «роста» пятен примеси) для малых масштабов явления (до 1 км). При этом мы исходили из соображений Ioseph и Sendner, которые показали, что коэффициенты диффузии (К) и наиболее вероятные скорости диффузии (Р) связаны между собой следующим соотношением:
, (2)
где г — средний радиус диффундирующего пятна примеси.
Для применения этой формулы были отобраны те пуски поплавков, для которых показатель степени в формуле (1) равен единице иди близок к ней. Расчеты позволили оценить в первом приближении наиболее вероятные скорости диффузии по Ioseph и Sendner. Среднее значение Р для этих случаев в районе Южного Крыма оказалось равным примерно 1 см/сек, что в 5—30 раз меньше, чем наблюдаемые в то время скорости течений. Важно подчеркнуть,что величины Р, судя по нашим опытам, близки к тем, которые нашли Ioseph и Sendner, Ichiye, Хела и Войпио (В. И. Зац, 1964). Так, Хела и Войпио на основе опытов с пятнами краски в Ботническом заливе при слабых течениях (5—10 см/сек) определили скорость диффузии Р равной 1,2 см/сек. По Ichiy, при таких же скоростях течений величина Р составляла около 1 см/сек (по данным упомянутых выше опытов Gunnerson и Pirson в заливе Санта-Моника). Такое близкое совпадение величин Р для различных районов Мирового океана дает возможность считать, что в прибрежной зоне других морей для малых масштабов областей диффузии (до 1 км) и при аналогичных гидродинамических условиях скорости диффузии будут, вероятно, идентичными.
Выводы
1. Эксперименты в прибрежной зоне показали, что коэффициенты горизонтальной диффузии, характеризующие интенсивность рассеяния, существенно зависят от масштаба явления. В узкой прибрежной зоне эта зависимость отличается от так называемого закона 4/з, а в 2,5—5 милях от берега этот закон действует. Коэффициенты горизонтальной диффузии возрастают с удалением от берега и усилением течений. Наиболее вероятная скорость диффузии в соответствии с точкой зрения Ioseph и Sendner достигает приблизительно 1 см/сек.
2. Рассеяние поля примесей процессами диффузии происходит (при прочих равных условиях) тем интенсивнее, чем дальше от берега это поле удалено и чем больше его первоначальные размеры. Ввиду того что закон 4/3 действует по крайней мере на расстояниях свыше 2,5 мили от берега, наибольший эффект рассеяния сточных вод достигается по крайней мере на расстояниях свыше 2,5 мили от берега.
Л ИТЕРАТУРА
Зац В. И. Гиг. и сан., 1963, № 5, с. 16.— Зац В. И. Океанология, 1964, в. 2, с. 249. — Зац В. И. Там же, 1965, в. 3, с. 383. — Караушев А. В. Проблемы динамики естественных водных потоков. Л., 1960. — Л а бей ш В. Г. Вестн. Ленинградск. ун-та. Серия, геол. и геогр. 1959, № 1, с. 139. — Озмидов Р. В. Изв. АН СССР. Серия геофиз., 1957, № 6, с. 756. — Brooks N. H., Proceedings I-th International Conference on Waste Disposal in the Marine Environment. Berkeley, 1960, p. 246. — Gunnerson C. G„ Proc. Am. Soc. Civ. Engrs., 1958, v. 84, SA 1, p. 1534.— Ichiye T., Olson F. C. W., Dtsch. hydrogr. Z., 1960, Bd 13, S. 13.— Ioseph I., Sendner H„ Ibid., 1958, Bd 11, S. 49,— R о w n A. M, Boverman F. R„ Brooks N. H„ Proc. Am. Soc. civ. Engr., v. 86, SA 2, p. 65.
Поступила 29/VII 1965 r.
