CC BY
48
УДК 543.3
Шарапов Николай Михайлович
Sharapov Nikolai
Заслоновский Валерий Николаевич
Zaslonovskii Valery
МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЙ ПОДХОД К ОПИСАНИЮ ГИДРОХИМИЧЕСКОГО РЕЖИМА ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ
METHODOLOGICAL APPROACH TO THE DESCRIPTION OF HYDROCHEMICAL CONDITION OF WATER BODIES
Описаны условия формирования гидрохимиче- The article describes the conditions of hydrochemi-
ского режима водных объектов, складывающиеся cal condition formation of water bodies which are com-
из двух взаимосвязанных процессов: «чистое раз- prised of two interrelated processes: «pure dilution»
бавление» и внутриводоемные процессы; в первом and intrareservoir processes; there are dependecies
варианте приведены зависимости для расчета for calculation of increment of considered pollutant
приращения массового расхода, рассматриваемо- mass flow in reality check for the first variant
го в реальных условиях
Ключевые слова: формирование гидрохимического Key words: hydrochemical indexes, surface run-off, forest-режима водных объектов, загрязняющее вещество covered area, non-forest-covered area
Как известно, качество воды водного объекта формируется как на водосборе, так и в самом водном объекте. Одновременно с процессом образования и привно-са различных веществ и соединений как на водосборе, так и в самом водном объекте, непрерывно происходят процессы самоочищения (разбавление, распад, разложение, переход в другие формы и т.д.) этих веществ и соединений. По изменению масс этих веществ в следующих друг за другом створах водотока (или по изменению этих масс во времени в водоемах) можно судить о преобладании привноса этих веществ или процессов самоочищения. В зависимости от изменения водности реки на существующих стационарных постах может
наблюдаться как увеличение, так и уменьшение содержания веществ и соединений, а в ряде случаев наблюдаются как максимумы, так и минимумы. На современном уровне знаний разделить процессы образования и привноса различных веществ и соединений, а также их самоочищение достаточно проблематично, т.к. основные закономерности формирования гидрохимического режима водотоков и водоемов до сих пор в достаточной мере не установлены.
Чтобы представить картину трансформации загрязняющих веществ в водотоке, проанализируем простейшую модель формирования гидрохимического режима воды на выделенном участке водотока (см. рисунок).
Схема выделенного расчетного участка в бассейне реки: /0-1, /1-2 и /2-3 - площади расчетных участков реки;
¥ - площадь всего водосборного бассейна водотока
Массовый расход загрязняющих веществ в любом створе (т1), как известно, рассчитывается по формуле
тхв=с, • а,
где Сг и Qi - соответственно концентрация рассматриваемого загрязняющего вещества и расход воды в i-м створе.
Весь массовый расход загрязняющих веществ, формирующийся на водосборной площади, ограниченной входным, верхним (на рисунке - это первый створ) и выходным, нижним (на рисунке - это второй створ) участка водного объекта, а также за счет процессов, происходящих в самом водном объекте (складывается из:
- сосредоточенных источников (сбросов из коллекторов предприятий, населенных пунктов, очистных сооружений, а также прито-
ков на этом участке), т.е. Атс;
- диффузный (рассредоточенный) сток, который формируется на водосборе и состоит из загрязнений как природного (Ати), так и
антропогенного происхождения (Ата), т.е.
Ат +Ат ;
п а '
- дополнительного диффузного (рассредоточенного) стока, который поступает из донных отложений (вторичного загрязнения), т.е.
Ат .
вт
Определенная часть загрязняющих веществ самоочищается за счет природных процессов (нейтрализуется, разбавляется, переходит в другие формы и т.п.) как на территории водосбора (на его поверхности и в подземных горизонтах), так и в самом русле реки, т.е. Ат .
со
Балансовое уравнение для выделенного участка между створами 1 и 2 по массовому расходу загрязнения с учетом самоочищения на водосборе и в водотоке (в предположении стационарного процесса) можно записать т2 - т1 = Ат2 1 = Ат + Ат +
(1)
+ Ата + Атвт - Атсо = Атз - Атсо,
где т2 и т1 - массовый расход загрязнения соответственно в нижнем (2) и верхнем (1) створах участка;
Ат2 1 - разность этих массовых расходов.
Решить балансовое уравнение (1) в настоящее время не представляется возможным, так как за исключением поступления загрязняющих веществ от сосредоточенных источников по данным статотчетности определить другие составляющие весьма затруднительно. Поэтому поступим следующим образом.
Рассмотрим участок реки, ограниченный нижним (i +1 )-м и верхним (i)-м створами. Расход воды в нижнем створе складывается из транзитного расхода, протекающего через верхний створ (Qi), и сформировавшегося
расхода в пределах выделенного участка как за счет сосредоточенного, так и диффузионного стоков (АQп+1’г). Следовательно, расход воды в нижнем створе можно рассчитать как
Q,+l = QI + А@п+1, при этом
=Щ+и = Qi+l-Qi. А приращение
массового расхода / -го вещества можно рассчитать
(Ат/+ц )дв = (т^+1) дв- (т1 ) дв. (2) Выразим массу рассматриваемого загрязняющего вещества в реальных условиях в нижнем (i +1 )-м створе ((да/+1)дв), через массу
в верхнем ()-м ((да/ )дв), поступление этого
вещества в пределах выделенного участка (как с диффузионным, так и с точечным стоком) ((т/+1 { )пр), поступления из донных отложений
((да/ )вт), а также его разбавления, химическо-
го и физико-химического взаимодействия с другими веществами, гидробиологических
процессов и т.д. ((') уЧ):
КЛ дв =(т/ )дв+(т+1, ,) пр+(т+1, ,) вт- (3)
- К+1,, ) уЧ-
Рассмотрим частный случай изменения гидрохимического режима водотоков, основанный на их ассимилирующей способности, который наиболее часто применяют в практике гидрохимических расчетов. Это случай так называемого «чистого разбавления». В данном случае для каждого загрязняющего вещества самоочищением ((т/+1 {)см), его поступлением
из донных отложений ((т'1 {)вт), химическим
и физико-химическим взаимодействием с другими веществами, гидробиологическими процессами ((т/+1 {) гб) и т.д., протекающими непосредственно в самой реке, можно пренеб-
Pечь, та Ку)см = 0; Ку)вт = 0 и
(т/+1 {)гб = 0. Приращение концентраций в
пределах выделенного участка в этом случае представляет собой разность концентраций в нижнем (i + 1)-м (С/+1) и в верхнем (i )-м створах (С), или АСг+1,г = С/+1 - С. Среднюю
концентрацию в нижнем (i +1 )-м створе можно рассчитать [1]:
АС',,г = (АQi+lJi • (АС/+1,г)Пр +
(4)
+ Qi • С )/(АQi+1, г + Qi).
Уравнение (4) позволяет сделать вывод о том, что для случая чистого разбавления массовый расход в нижнем (i +1 )-м (т{+1) створе связан как с массовым расходом в верхнем ^ )-м (да/') створе, так и с поступлением этого же вещества в пределах выделенного участка ((' )пр).
Уравнение (3) для случая «чистого разбавления » с учетом уравнения (4) можно записать
т+1, , = т/ + (т>1, ,■) пр =
= (А0,+1, г+ Qi) -ЛС'.г '
(5)
при (т+и)см = 0; (<1Дт = 0 и
(т/1,, )гб = 0.
Тогда для рассматриваемого случая приращение массового расхода между выделенными створами будет равно
(Ат/Ц ) = тм - т/ = (& +АQi +1,, ).
•АС-QI • С/’= (6)
= ^ • АСг:++15г + АQi+lIг • ЛСДг - Qi • С[.
Следует, однако, заметить, что процессы самоочищения и привноса в самом русле в реальных условиях неразделимы. И те, и другие практически всегда присутствуют. Причем численные значения указанных величин, за исключением самоочищения, которое может быть равным нулю или положительным, могут быть как положительными, так и отрицательными. Фактический баланс всех процессов в русле реки для реальных условий описывается уравнением
Ат/+1, г- = (Ат+1, , У - (т+1, ,) ^ =
= ® • лс/,, + ао,,-л/ • с/')- (7)
- С) ^
Численное значение Ат,+1г. в уравнение
(7) представляет собой действительное приращение массового расхода рассматриваемого / -го загрязняющего вещества в пределах выделенного участка водотока.
Имея продолжительный ряд наблюдений как по гидрологическим, так и по гидрохимическим характеристикам водного объекта для каждого загрязняющего вещества, их последующая математическая обработка показала, что в реальных условиях зависимость приращения массового расхода любого загрязняющего вещества или соединения
((А<1,г )дв = (к,+1) дв- (т/) дв) от приращения концентраций этого же вещества или соединения ((Л' )дв = (С-+.)дв - (С/ )дв), т.е.
Ат/, = /(ЛС/ ,) в пределах рассматриваемого участка может быть описана уравнением линейного вида
(Лт/У)* = (А/) дв- / , + / ,, (8)
где (т1+1)дв, (т/)дв, (С^)дв и (С/)дв - соответственно действительные значения массовых расходов и концентраций рассматриваемого загрязняющего вещества в верхнем и нижнем створах;
/, и Ь/,, - соответственно эмпирические значения углового коэффициента и свободного члена для / -го загрязняющего вещества.
Численные значения углового коэффициента (а/ ,) и свободного члена (Ь/, ,) для
каждого водного объекта, расчетного участка в рассматриваемом бассейне водного объекта, вероятно, будут различны. Они должны учитывать как исторически сложившиеся условия формирования количественных и качественных показателей водных ресурсов, так и уникальность бассейна, в пределах которого происходит их формирование. А, как известно, каждый бассейн характеризуется большим количеством факторов, определяющих его специфику (географическое положение, климат, высотная отметка, уклоны, подстилающие породы, почвы, растительный и животный мир и многое другое).
Из этого ряда наблюдений можно выбрать приращение концентраций (ЛС/+, ,) такое, которое по численному значению будет совпадать со случаем «чистого разбавления» (ЛС/+, ,). Однако действительные концентрации рассматриваемого загрязняющего вещества в выделенных створах (С/+, и С/) вследствие наличия указанных процессов, протекающих непосредственно в самом водном объекте, могут отличаться от случая «чистого разбавления ».
__________________________________________________________________________________________Литература
1. Родзиллер, И.Д. Прогноз качества воды лер - М.: Стройиздат, 1984. - 263 с.
водоемов-приемников сточных вод / ИД. Родзил-
Коротко об авторах________________________________________________________________Briefly about authors
Шарапов Н.М., канд. техн. наук, доцент, Читинский государственный университет(ЧитГУ) [email protected]
Научные интересы: формирование гидрохимического режима водных объектов
Заслоновский В.Н., д-р техн. наук, грофессор, Читинский государственный университет (ЧитГУ) [email protected]
Научные интересы: угравление водными ресурсами; формирование гидрохимического режима водных объектов
Sharapov N., Ph.D. (Engineering), Assistant Professor, Chita State University (ChSU)
Scientific interests: formation of hydrochemical condition of water bodies
Zaslonovsky V., Dr.Sc. (Engineering), Full Professor, Chita State University (ChSU)
Scientific interests: water control, formation of hydrochemical condition of water bodies
