CC BY
74
Натурное моделирование смешения речных и сточных вод ручья Медвежий в реке Кола
1 2 Л.Н. Соловьев , Ф.Л. Соловьев
1 Технологический факультет МГТУ, кафедра химии
2 Российский государственный гидрометеорологический университет, Санкт-Петербург
Аннотация. На примере аммонийного азота показано неблагоприятное воздействие ручья Медвежий на работу водозабора, и, как следствие, на качество воды, потребляемой населением. Приведены примеры расчета самоочищения водных масс на основе натурного моделирования.
Abstract. The authors have shown the injurious affect of the stream Medvezhiy on the work of the water intake and as a result on quality of water used by the population on the example of ammonium nitrogen. The examples of calculation of the water masses' self-cleaning on the basis of field modelling have been given.
1. Введение
Наблюдения за загрязненностью рек промышленными и хозяйственно-бытовыми сточными водами являются неотъемлемой частью экологического мониторинга. Для обоснованного выбора рек (или отдельных их участков) и составления программы наблюдений необходимо составить карту-схему комплексного использования водных ресурсов и выделить наиболее важные для народного хозяйства участки реки, качество воды в которых лимитируется в определенных пределах.
При выборе участков реки и, особенно, при планировании размещения створов наблюдений за степенью их загрязненности необходимо учитывать размещение и специфику как существующих, так и проектируемых источников загрязнения. На карте-схеме изучаемой территории должны быть показаны: населенные пункты, главные отрасли промышленности и сточные воды загрязняющие территории, а также очистные сооружения.
2. Гидрологическая изученность
Река Кола берет начало из Колозера, расположенного в 3 км выше ж. д. ст. Пулозеро и впадает в Кольский залив Баренцева моря у г. Кола. Площадь водосбора реки 3850 км2, длина реки 83 км. Полное падение реки на всем ее протяжении составляет 141 м, средний уклон реки равен 1,6 0/00 (средневзвешенный уклон 1,3 0/00). Пойма реки имеется только на отдельных участках от истока до ручья Медвежий, ее ширина в этом месте составляет 40-60 м. Глубина реки колеблется от 0,3-0,5 м на порожистых участках, до 2-6 м - на плесах. Река в верхнем течении представляет собой короткие и порожистые участки, соединяющие озера; в среднем и нижнем течении река представляет собой чередующиеся плесы и перекаты (Ресурсы поверхностных..., 1970).
Река Кола имеет преимущественно снеговое питание. В годовом разрезе характеризуется высоким весенним половодьем, низкой зимней и летней меженью и относительно небольшими летне-осенними подъемами, вызываемыми дождями.
Режим уровней р. Колы имеет следующий характер: с началом потепления, еще при наличии ледяного покрова (в конце апреля - начале мая) уровень начинает подниматься медленно и плавно в истоке реки, более интенсивно в средней части реки и резко - на устьевом участке. Весеннее половодье проходит одновременно почти по всей длине реки. Длительность стояния высоких уровней по длине реки неодинакова и колеблется (от 1-3 дней) на нижнем участке реки (до 5-10 дней) в истоке. В многоводные годы амплитуда колебания уровня воды над среднемесячным изменяется от 2 мв истоке до 4 м в нижнем течении. Средняя продолжительность весеннего половодья от 68 до 73 дней (Ресурсы поверхностных..., 1970).
Для определения среднемноголетних величин годового стока, объема стока воды весеннего половодья, дождевого паводка и 30-дневных минимальных расходов воды зимней межени в расчетных створах были использованы параметры опорных пунктов (водомерный пост "Исток" и вод. пост "1429 км"). Расчет максимальных расходов воды, величин стока заданной обеспеченности выполнен по Наставлениям для гидрометеостанций и постов № 2 (Наставление..., 1987).
Замерзание р. Колы на разных участках проходит неодинаково. Как правило, ледоставу предшествует образование заберегов. Осенний ледостав происходит в течение 3-8 дней, на порожистых
участках он длится (15-20 дней), а в устье - 30 дней. На плесовых участках под ледяным покровом ежегодно наблюдается шуга, которая к началу весны исчезает. Образование донного льда и накопление шуги подо льдом вызывает осенью и в начале зимы подъем уровня воды. Толщина льда к концу зимы достигает наибольших величин и в среднем по всей длине равна 80-90 см, в истоке в отдельные годы - 200 см. Длительность ледохода в среднем от 3 до 10 дней. На нижних участках реки нередки весенние заторы льда.
Для р. Колы, как и для всех рек Кольского полуострова, в силу природных особенностей территории (полуостров сложен древнекристаллическими породами, мореные отложения, залегающие с поверхности, устойчивы против эрозии, русло реки представляет собой чередование порожистых участков с проточными озерами, которые действуют в качестве отстойников) характерна незначительная величина среднегодовой мутности. Для р. Колы среднегодовая мутность составляет 5,4 г/м3. Сток взвешенных наносов в половодье превышает зимнюю межень в 8-10 раз (Ресурсы поверхностных..., 1970).
Водовмещающими породами являются пески различной степени зернистости. Мощность водовмещающих пород на большей части территории не превышает 2-5 м. Глубина залегания подземных вод в весенний период составляет 1,0-1,5 м от поверхности земли, летом и зимой - 2,0-3,0 м.
Питание водоносного слоя происходит за счет атмосферных осадков и за счет подтока вод из нижележащих пород, разгрузка осуществляется гидрографической сетью. Водообильность водоносного горизонта слабая, практическое значение ограниченное, используется для частного водоснабжения населенных пунктов. Максимальный приток к существующим колодцам не превышает в большинстве случаев 1 л/с. Водоносный комплекс в пределах бассейна практически не используется для водоснабжения, исключение составляют отдельные населенные пункты, в которых для водоснабжения используются колодцы.
Для правильной интерпретации результатов наблюдений, используя гидрологические и гидрохимические ежегодники (Рекомендации..., 1984; Тарасов и др., 1986), необходимо:
1) Выявить для выбранных участков рек характерные фазы гидрологических и температурных режимов. По многолетним данным построить графики изменения среднемесячных значений расходов и температуры воды в реке.
2) Определить минимальный среднемесячный расход 95 % обеспеченности (Q').
Из выбранных значений расходов речной воды строится ранжированный убывающий ряд. Номер искомого минимального расхода при 100 % обеспеченности определяется по формуле:
P = m - 0,3 / п + 0,4. (1)
При решении относительно m
m = 0,95(n + 0,72), (2)
где m - номер в ранжированном ряду искомого минимального расхода 95 % обеспеченности; n - число минимальных среднемесячных расходов в ранжированном ряду.
3) Из многолетних данных выбирается максимальный среднесуточный расход воды (Q") для каждого исследуемого участка реки и соответствующие ему параметры: ширина реки (В), средняя глубина (Нср), средняя скорость течения (Уср) и гидравлический уклон (i); аналогичные параметры необходимо выбрать и для расчетного минимального расхода (Q)
3. Проведение наблюдений
В комплекс наблюдений на реке входят предварительные рекогносцировочные наблюдения и систематические наблюдения. Все наблюдения должны проводиться обязательно с учетом времени добегания воды.
Проведение рекогносцировочных наблюдений
1. Выбор главных створов для систематических наблюдений (вертикальных и горизонтальных).
2. Выявление наиболее жестких условий режима сброса сточных вод.
3. Выявление наиболее характерных загрязняющих веществ и показателей загрязнения исследуемого участка реки для обоснованного составления программы систематических наблюдений.
К сведениям о режиме сточных вод относятся: название предприятий, производящих сброс сточных вод, наличие очистных сооружений и эффективность их работы, режим сброса сточных вод, расположение водовыпуска по отношению к реке. На основании полученных данных проводится предварительный расчет концентраций отдельных загрязняющих веществ в воде водотока ниже выпуска по формуле:
Срасч = (Сф-Q' + Ccm • q) / (Q' + q), (3)
где Срасч - ориентировочная концентрация загрязняющего вещества в створе полного смешения речных и сточных вод (без учета процесса самоочищения); Сф - усредненная концентрация загрязняющего
вещества в фоновом створе (при Р = 10 % обеспеченности); Сст, q - усредненная концентрация вещества в сточной воде и соответствующий ей усредненный расход воды; произведение значений этих параметров характеризует величину нагрузки водотока сточными водами (G); Q' - минимальный расчетный расход воды реки на данном участке.
Ориентировочная оценка степени влияния сточных вод на химический состав воды реки дается по результатам сравнения Срасч с ПДК исследуемых показателей.
4. Выбор главных створов наблюдений, вертикалей и горизонталей
Выбор створов должен проводиться одновременно с проведением суточных наблюдений за режимом поступления сточных вод на этом участке реки. Необходимо выбрать главные створы для проведения систематических наблюдений за режимом загрязнения воды реки с учетом процессов самоочищения.
К главным створам наблюдений обычно относят те створы, полученные в которых гидрохимические и гидрологические данные послужат основой для расчетов и прогнозов степени загрязнения реки. В данном случае таких створов три:
- фоновый створ, расположенный выше источника загрязнения;
- в источнике загрязнения перед выпуском;
- на реке ниже источника загрязнения (контрольный створ).
В более сложных случаях (впадение вблизи водовыпуска загрязненного притока, сброс большого количества сточных вод через ряд выпусков и т.д.) количество главных створов наблюдений может быть увеличено в зависимости от конкретной обстановки.
Фоновый створ обычно располагается как можно ближе к исследуемому источнику загрязнения, но на расстоянии, исключающем влияние этого источника загрязнения. В фоновом створе намечается одна вертикаль - в фарватере реки, пробы отбираются с горизонтов 0,2-0,5 м от поверхности. Створ наблюдения за режимом сточных вод желательно располагать непосредственно перед водовыпуском. Это поможет точнее учитывать время добегания исследуемой смеси сточной и речной воды. Условия самоочищения (аэрация, температура, освещенность и т.д.) при таком расположении створа наблюдения будут зависеть, главным образом, от водного и гидрохимического режимов реки. Наиболее сложной задачей является установление главного контрольного створа, расположенного на реке ниже источника загрязнения. Характер и степень влияния сточных вод на загрязнение реки тесно связаны с ее водностью. Поэтому при рассмотрении принципов выбора контрольного створа наблюдения ниже источника загрязнения пользуются классификацией рек - это площадь водосбора и расход реки. Река Кола относится к малым рекам.
Одной из главных задач наблюдений является оценка изменения степени загрязнения реки во времени в связи с различными условиями. Сравнительную оценку лучше всего давать по одному и тому же постоянному створу реки. Таким наиболее характерным створом реки считается створ практически полного смешения сточных и речных вод. Для определения расстояния до контрольного створа необходим достаточно точный метод. Расчетные методы смешения речных и сточных вод, рекомендуемые разными авторами, дают сильно отличающиеся результаты.
Наиболее совершенным методом расчета является метод, предложенный A.B. Караушевым (1983). Он основан на уравнении установившейся турбулентной диффузии, решение которого выполняется методом конечных разностей.
В последнее время М.А. Бесценной (Методические основы..., 1981) разработан более простой и достаточно точный метод расчета разбавления сточных вод для определения гарантированного створа практически полного смешения речных и сточных вод. По указанному методу расстояние от места выпуска сточных вод до створа с заданной степенью перемешивания определяется по формуле
L = [[0,14q (N/H)1/2] • B / H'[(Cmax - Cp) / Ccm)]-(Q + q), (4)
где В - средняя ширина реки, м; р - параметр, характеризующий извилистость русла реки; Q, q -соответственно расходы речной и сточной воды, м3/с; Cmax - максимальная концентрация загрязняющего вещества в поперечном сечении потока реки, мг/л; Сст - концентрация рассматриваемого загрязняющего вещества в сточной воде, мг/л; Ср - расчетная концентрация вещества в створе полного смешения речных и сточных вод мг/л.
Параметр Н находим по формуле
Н = Нср / В, (5)
где Нср - средняя глубина реки, м. Параметр N определяется по формуле
N = MC/g, (6)
где С - коэффициент Шези; М = 0,7С + 6; g - ускорение свободного падения.
Коэффициент Шези С при наличии измеренных гидравлических уклонов i вычисляется по формуле
С = Уср / (Нср)т, (7)
а при отсутствии данных об уклонах по формуле Штриклера - Маннинга
С = 33(Нср/ёэ). (8)
В формулах (7) и (8): Vcp - средняя скорость течения воды в реке, м/с; йэ - эффективный диаметр частиц донных отложений (для условий рек определяется как 50 % значение крупности частиц по гранулометрической кривой). Извилистость русла реки находится по формуле
(р = Ьф/Ьпр, (9)
где Ьф - длина участка реки, измеренная по фарватеру; Lnp - по прямой.
Расчетная концентрация загрязняющего вещества в створе полного смешения речных и сточных вод определяется по формуле
Ср = (C4jQ + Сст • q) / (Q + q), (10)
где Сф - содержание загрязняющего вещества в воде реки выше источника загрязнения (фоновый створ). Степень перемешивания речных и сточных вод Ф определяется по формуле
ф = Сф/стах -100 %, (11)
где Стах - максимальная концентрация загрязняющего вещества в поперечном сечении потока реки.
Поскольку для нахождения гарантированного створа практически полного смешения речных и сточных вод необходимо знать не разбавление отдельных загрязняющих веществ, а только степень перемешивания сточных вод в реке, предлагаем формулу (4) преобразовать следующим образом: При Ф = 80 % и величине отношения Стах / Ср = 1,25 и Сф = 0, имеем вид
Ь80% = [0,56£ /^](N/H)1/2. (12)
Соответственно, при Ф = 85 %
Ь85% = [0,785/ф] (N/H)1/2. (12а)
Из формул (12) и (12а) видно, что при изменении расхода речной воды, а вместе с ним и таких параметров, как В, Нср, Vcp и других, расстояние до створа практически полного смешения речных и сточных вод также не будет оставаться неизменным. Поэтому при расчете расстояния до гарантированного створа практически полного смешения речных и сточных вод по формулам (12) и (12а) следует проводить расчет для условий минимального расхода (Q) и максимального расхода (Q ) речной воды. За искомое расстояние принимается наибольшее из двух рассчитанных.
5. Пример расчета
Исходные данные: ручей Медвежий: Q' = 49,5 м3/с, Vcp = 1,49 м/с, Нср = 1,65 м, В = 20,1 м, I = 2,6 %о, (р= 1,04;
р. Кола: Q"= 213 м3/с, V"cp = 4,26 м/с, Н"ср = 2,49 м, В" = 20,1 м, I" = 3,5 %, <р" = 1,04.
1) Рассчитываем расстояние до створа практически полного смешения речных и сточных вод (Ф = 80 %) для условий Q:
Н\ = 1,65 / 20,1 = 0,08, Ci = 1,49 / (1,65- 0,0026)1/2 = 23; Мх = 0,7-23 + 6 « 22, N = 23-22/9,8 = 50,9, Ь80% = [0,56- 20,1/1,04]-(50,9/0,08)1/2 = 270м.
2) Рассчитываем расстояние до створа практически полного смешения речных и сточных вод (Ф = 80 %) для условий Q":
Н2 = 2,49 / 20,1 = 0,123, С2 = 4,26 / (2,49- 0,0035)1/2 = 46; М2 = 0,7-46 + 6 = 38, N2 = 46-38 / 9,8 = 177, Ь2(80%) = [0,56- 20,1/1,04] (177/0,123)1/2 = 410 м.
За гарантированный (контрольный) створ смешения принимается створ, расположенный в 400 м ниже выпуска сбросных вод.
Расчеты проводят для каждой из выбранных вертикалей.
Но в этих расчетных формулах не учитывается коэффициент смешения (А), который показывает, какая часть от общего расхода реки участвует в разбавлении сточных вод. Обычно для расчета этого коэффициента пользуются модифицированной формулой И.Д. Родзиллера (1984)
А = (L)m [1 - ^ + (Q/qey)], где у = -а3.
Из специфических загрязняющих веществ в первую очередь подлежат определению:
а) вещества, которые в контрольном створе реки ниже выпуска сточных вод превышают ПДК, определенные по санитарно-токсикологическим признакам;
б) вещество, концентрация которого более других превышает ПДК, определяемое другими существующими критериями вредности, согласно "Правилам охраны поверхностных вод от загрязнения сточными водами" (1975);
в) вещество, которое в создавшихся условиях трансформации сбрасываемых загрязняющих веществ имеет наибольшее время распада (г) до уровня менее ПДК. При этом следует учитывать, что при различных сочетаниях значений расхода и температуры данному условию могут удовлетворять разные вещества, т.к. время распада вещества зависит не только от концентрации вещества в сточной воде, но и от влияния гидродинамических и температурных условий в водоеме на скорость самоочищения.
Если принять, что процесс превращения загрязняющего неконсервативного вещества в речной воде удовлетворительно описывается уравнением реакции первого порядка, то при определении ориентировочных значений суммарного коэффициента скорости самоочищения (k^ и величины (г) для отдельных веществ, сбрасываемых со сточными водами, можно воспользоваться формулой Г.В. Стриттера
ki = [2,3/г] lg (Co/Q,
где С0 - исходная концентрация вещества, мг/л; CT - концентрация вещества через время т, т- период времени между измерениями концентраций вещества, сутки.
Кроме специфических загрязняющих веществ, обязательно должны определяться такие показатели степени загрязнения воды, как: растворенный кислород, бихроматная окисляемость, БПК, и биогенные вещества (соединения азота и фосфора).
Аммиак и ионы аммония появляются в грунтовых водах в результате жизнедеятельности микроорганизмов в период вегетации в результате разложения белковых веществ. В анаэробной среде аммиак образуется при восстановлении органических веществ. Вследствие жизнедеятельности нитрифицирующих бактерий содержание аммиака в водоемах снижается при одновременном образовании нитратов.
Повышенное содержание аммиака в поверхностных водоемах объясняется спуском хозяйственно-бытовых, сточных вод и некоторых промышленных вод, которые содержат значительные количества аммиака или солей аммония, являющихся отходами производства.
NH4+ - аммонийный азот (аммоний), минеральный радикал в свободном состоянии не существует. В соединениях играет роль одновалентного металла. Количественное соотношение ионов аммония (NH4+) и недиссоциированных молекул гидроксида аммония (NH4OH) имеет важное экологическое значение и определяется значениями pH и в некоторой степени температурой воды. Повышенное содержание аммиака указывает на ухудшение санитарного состояния водного объекта. ПДК составляет 2 мг/л. При аварии в апреле 2002 г., в р. Коле поступил аммоний в количестве, в 200 раз превышающем ПДК.
6. Заключение
В результате загрязнения реки Кола сточными водами ручья Медвежий ухудшилось качество питьевой воды г. Мурманска . Приведенные расчеты показывают при каком минимальном уровне воды и на каком расстоянии в реке происходит смешение и самоочищение водных масс. По результатам расчетов можно сделать вывод, что при дефиците воды в р. Коле ручей Медвежий оказывает негативное влияние на работу водозабора.
Литература
Караушев A.B. Вопросы регламентирования сбросов сточных вод в реки. Труды ГГИ, вып. 297, с.91-102, 1983. Методические основы оценки антропогенного влияния на качество поверхностных вод. Под ред.
Караушева A.B. Л., Гидрометеоиздат, с.175, 1981. Наставление гидрометеорологическим станциям и постам. Выпуск 2. Л., Гидрометеоиздат, с.183, 1987.
Правила охраны поверхностных вод от загрязнения сточными водами. М., Госстандарт, 23 е., 1975. Рекомендации по прогнозированию качества поверхностных вод. Под ред. Масс Е.И.,
Майрановского Ф.Г. М., ВНИИТС, с.22-24, 1984. Ресурсы поверхностных вод СССР (Кольский полуостров). Под ред. Елшина Ю.А., Куприянова В.В. Л.,
Гидрометеоиздат, с.315, 1970. Родзиллер И.Д. Прогноз качества воды водоемов-приемников сточных вод. М., Стройиздат, с.263, 1984. Тарасов М.Н., Клименко O.A., Семенов Н.В., Бражникова Л.В., Демченко O.A. Вопросы исследований и прогнозирования загрязненности рек. Гидрохимические материалы, Гидрометеоиздат, т.67, с.52-63, 1986.
