Повышение интенсивности работы инфильтрационных сооружений с учетом сложных теплофизических условий сибирских регионов Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

По расчётам, приведенным в таблице, видно, что с организованной газогидродинамической обстановкой (с пластиной над аэратором) окислительная способность аэратора возрастает на ~18 % и достигает 2,15 гО2/ч. Это объясняется тем, что часть кислорода воздуха, отводимая пластиной, проходит более длинный путь и, следовательно, имеет больший по времени контакт с водой для растворения кислорода.

Изменение концентрации кислорода в воде модельного аэротенка (без воздействия на газогидродинамику) при различных интенсивностях аэрации происходит по полиномиальной зависимости с выходом на предельное значение, определённое атмосферным давлением, температурой и

Библиографический список

солесодержанием воды (рис. 5). В дальнейшем для расчетов использовали значения концентрации кислорода в интервале времени от 0 до 12 мин.

Зависимость окислительной способности мелкопузырчатого аэратора от удельной интенсивности аэрации в модели аэротенка без воздействия на гидродинамику имеет линейный характер и описывается уравнением ОС = а • У , а тангенс угла наклона прямой к оси абсцисс определяется глубиной модели аэротенка (рис. 6). При глубине модели аэротенка 0,8 м угловой коэффициент а = 0,5121.

1. Солопанов Е.Ю., Кульков В.Н. Установка для определения поверхности контакта фаз "жидкость - газ" физико-химическим методом / Инвестиции. Строительство. Недвижимость: материалы межд. науч.-практ. конф. (28-30 июня 2006, Иркутск). Иркутск, 2006. С. 114-117.

2. Кульков В.Н., Солопанов Е.Ю., Евтеева И.В., Разум А.С. Газогидродинамическая обстановка и распределение

активного ила в сооружениях биологической очистки сточных вод /Вестник Иркутского гос. техн. ун-та. 2008. № 4. С. 48-52.

3. Карелин Я.А. Очистка производственных сточных вод в аэротенках. М.: Стройиздат, 1973. 223 с.

УДК 628.15.12

ПОВЫШЕНИЕ ИНТЕНСИВНОСТИ РАБОТЫ ИНФИЛЬТРАЦИОННЫХ СООРУЖЕНИЙ УЧЕТОМ СЛОЖНЫХ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ СИБИРСКИХ РЕГИОНОВ

С

А.И. Матюшенко1, М.Г. Яковлева2

ООО «Красноярский жилищно-коммунальный комплекс», 660049, г. Красноярск, ул. Парижской коммуны, 41.

Установлены зависимости расходных характеристик водозаборов инфильтрационного типа от времени и температур: воздуха, речного и подруслового потоков, которые оказывают существенное влияние на параметр производительности водозабора. Разработаны и реализованы математические модели термокольматационных процессов в зоне активного влияния водозаборных сооружений, учитывающие гидрогеотермические, физические и конструктивные параметры водоисточников. Ил. 3. Библиогр. 3 назв.

Ключевые слова: водозаборные сооружения; кольматация руслового аллювия; экстремальные условия сибирских регионов; изменения температуры подземных вод.

INCREASE OF THE OPERATIONAL INTENSITY OF INFILTRATION STRUCTURES WITH REGARD TO COMPLEX THERMOPHYSICAL CONDITIONS OF SIBERIAN REGIONS A.I. Matyushenko, M.G. Yakovleva

LLC «Krasnoyarsk housing-municipal complex», 41, Paris Commune St., Krasnoyarsk, 660049.

The authors determined the dependences of discharge characteristics of water intakes of infiltration type on time and temperature of: the air, the river-course flow and the under-course flow that have a significant effect on the performance parameter of the water intake. They developed and implemented mathematical models of thermocolmatation processes in the zone of the active influence of water intake facilities. These models take into account hydrogeothermal, physical and structural parameters of the water sources. 3 figures. 3 sources.

Key words: water intake facilities; colmatation of river-bed alluvium; extreme conditions of Siberian regions; temperature changes of groundwaters.

1Матюшенко Анатолий Иванович, доктор технических наук, генеральный директор ООО «Красноярский жилищно-коммунальный комплекс», тел.: (3912) 528701.

Matyushenko Anatoly, Doctor of technical sciences, Director General of LLC «Krasnoyarsk housing-municipal complex», tel.: (3912) 528701.

2Яковлева Марина Геннадьевна, заместитель начальника цеха, технолог Управления водоснабжения ООО «Красноярский жилищно-коммунальный комплекс», тел.: (3912) 3627, 89190303564, e-mail: [email protected]

Yakovleva Marina, workshop master assistant, technologist of the Department of Water Supply of LLC «Krasnoyarsk housing-municipal complex», tel.: (3912) 3627, 89190303564, e-mail: yakovleva.mg @ mail.ru

В сложных климатических условиях России большинство водоисточников находятся в хорошо сформированных долинах с мощными аллювиальными отложениями, воды которых имеют прямую гидравлическую связь с открытыми потоками, что обеспечивает возможность применения систем водоснабжения ин-фильтрационного типа как в районах уже освоенных, так и в зонах освоения. Накопленный опыт эксплуатации данных сооружений показывает, что их производительность в холодное время года существенно снижается - до 30-80% от проектной величины. При длительной и интенсивной эксплуатации данного вида сооружений происходит заиление русловых отложений.

Существующие методы подсчёта запасов подземных вод не берут во внимание сложности и особенности температурных эффектов региональных условий, что ведёт к ошибкам в оценке производительности инфильтрационных водозаборов. Решение таких сложных задач аналитическими методами связано с большими трудностями. Следовательно, целесообразно развивать приближённые численные методы. Поэтому разработка методов, учитывающих влияние гидротермальных региональных факторов и оптимизации водозаборов подземных вод, по экономическим показателям является актуальной.

При эксплуатации и проектировании инфильтра-ционных водозаборов возникает необходимость в определении начального поступления поверхностных вод из реки в общий дебит инфильтрата, стекающего в сборные колодцы. Большинство обследованных инфильтрационных водозаборов в Сибири и на Дальнем Востоке, за единичными исключениями, являются близкорасположенными от уреза воды сооружениями, для которых характерно подсасывание поверхностных вод в русловой аллювий. Вместе с тем, многие из сооружений в течение длительного времени показывают хорошие результаты работы, и дебит их уменьшается, что происходит при незначительном понижении уровня воды в сборном колодце. Эффективность применения инфильтрационных водозаборов при устойчивости их дебитов зависит от кольматации при прочих равных условиях. Например, при одинаковых коэффициентах фильтрации русловых отложений или одинаковом водном режиме рек - водоисточников, зависит от степени откачки инфильтрата из сборных колодцев, определяемой отношением рабочих дебитов к максимально возможным в данных условиях, которые устанавливаются по пробным откачкам или гидравлическим расчётам.

На реках, где мутность может быть исключительно высокой, а твёрдые расходы очень большие, и где, казалось бы, эффективность инфильтрационных водозаборов должна быть незначительной, натурные данные говорят о стабильности их дебитов и устойчивости против кольматации. Объясняется это совпадением пиковых значений жидких и твёрдых расходов с большими горизонтальными и вертикальными скоростями течения, интенсивными русловыми переформированиями дна берегов во время мутных паводковых вод с большими концентрациями взвешенных нано-

сов. Если максимум взвеси приходится не в пиковые моменты жидкого расхода воды, когда русловые деформации, восстанавливающие водонепроницаемость заиленных русловых отложений у водозаборов, незначительны, происходит кольматация этих отложений взвешенными наносами и снижение производительности водозаборов вплоть до полного выхода из строя.

Однако наряду с общностью проблем подземной гидродинамики в различных областях необходимо иметь в виду и специфические особенности гидротермических и гидрогеологических задач, возникающих в связи с применением инфильтрационных водозаборов. Несмотря на фундаментальность отдельных работ, знаний для расчёта работы инфильтрационных водозаборов, их производительности в условиях кольматации оказывается недостаточно.

Для решения задачи по определению дебита под-русловых дрен инфильтрационных сооружений с учётом основных гидравлико-гидрологических и температурных характеристик возможно с помощью следующих уравнений:

• уравнения для удельного расхода:

Я ж =

(1 -с У

К0\1 -

дР

(1)

ц((- 2р) дх ' где к0 - начальный коэффициент проницаемости аллювия, равный кфф/у); (- насыщенность пор аллювия осевшими наносами; а1, а2 - показатели степени, характеризующие снижение расхода в процессе кольматации; у - коэффициент динамической вязкости воды; р - концентрация взвешенных наносов фильтрующей дР

жидкости;--градиент давления по пути фильтра-

дх

ции;

• уравнений неразрывности потока для жидкого и твёрдого расходов: - для жидкой фазы:

дё

= т

ддЗж

дх 0 дт - для твёрдой:

даТ дё

—- = -т0 —; дх дт

• уравнения кинетики процесса кольматации:

(2)

(3)

дт

= Х

Р

аоС

Со-с

(4)

У

Результатом решения системы уравнений (1)-(4) является линейное уравнение относительно цж:

2

1 -

1 ВС аоС

Л

Ядт С-с

о У

дт

К

(1 -С4 )а

(1 -в)

(Б+2СС+ +3БС2+4ЕС

3

дС

дх

1 дС

аосо

дС

Я дфт ) дх

(5)

где к0 - начальный коэффициент проницаемости аллювия, равный кф(р^); у, Y - коэффициент динамической вязкости воды и её объёмный вес; кф - коэффициент фильтрации; ( - насыщенность пор аллювия осевшими наносами; (0 - максимальная насыщенность аллювия осевшими наносами к концу процесса кольматации; а0 - опытный коэффициент, зависящий от соотношения диаметров частиц аллювия и взвешенных наносов, а также от размера и формы порово-го пространства; А - кинетический коэффициент, учитывающий отклонение от равновесия концентрации взвешенных наносов в процессе фильтрации; р - концентрация взвешенных наносов фильтрующей жидкости; а1, а2 - показатели степени, характеризующие снижение расхода в процессе кольматации.

За начало отсчёта времени т = 0 принимают момент, когда чистая вода в русловом аллювии перед кольматацией полностью вытесняется взмученной водой. Положим, что насыщенность пор аллювия осевшими наносами ( при т = 0

<М = 0, (6)

а объёмная концентрация взвеси р (х, т) в момент времени т = 0 по глубине руслового аллювия распределяется по закону

р(х,0) = р(0,0)-ехр [-ао(1-£)то(т)А0], (7)

где у0 - начальная скорость фильтрации, зависящая от гидростатического напора Р = YН; Н - высота водного столба над рассматриваемым объемом аллювия; Y - объемный вес воды; е - пористость осевших наносов в русловом аллювии; х - вертикальная координата по глубине аллювия.

Изменения объёмной концентрации р(х, т) по времени при х = 0 предполагается известным р(0, т) = =Ф(т). Например, равенство Ф(т) может представлять собой схематизированный гидрограф концентрации взвешенных наносов речного потока во времени т, где т - продолжительность наличия взвеси в потоке в течение года.

Изменение объёмной концентрации р(х, т) по времени можно принять по закону

у = уо ехр[-аТ(т)], (8)

где у0 - начальный коэффициент динамической вязкости; а - коэффициент, характеризующий экспоненци-альность изменения вязкости.

Используя уравнение кинетики процесса кольма-

д^

тации (4), находим значение производной — при

дт

х = 0; т = 0:

дт

х=0

= Я

р(0, т) -

аоС

Со-с

(9)

дт\х=о = Яр(х,о)=

дт . (10)

= р(0,0)Я • ехр- а0 (1 - В)т0 (х / у0 )]

Таким образом, определение единичного расхода сводится к решению краевых задач (5)-(6). Уравнение (5) решают численно методом сеток. Шаги сетки по глубине грунта Ах и времени Дт равны 15 см и 36 сут. Соответственно. Данная система при любой сетчатой области устойчива. Определив £ (х, т) из (3) и подставив полученное значение в (4), найдем р(х, т), а из уравнения (1) д(т) - суммарный расход при кольматации. Далее, на основании зависимостей

Р = А+ВС,+а,2+Н?+Е?,

(11)

где А, В, С, й, Е - коэффициенты, зависящие от условий кольматации, или

Чт =

Р

1 -Р

ч ж;

Ч(т) = Чж + Чт = Чж

+

р

1 -Р

Чж =

= Чж

(1 - 2р) (1 -Р)

(12)

(13)

получим удельную производительность подрусловой горизонтальной дрены с учётом кольматации и динамической вязкости воды:

[1-^а1 У2 Г( Б + 2СГ+

Чж ="

(1-2Р)

(Б+2СС+ +3БС2 + 4Е£3

дА

дх

+1

П, (14)

Л 1 ^^ 1 у где п - коэффициент, учитывающий влияние подру-слового притока на производительность дрены.

Полная производительность подрусловых дрен определяется как

О^е,

где I - длина дрены; к - начальный приток. Тогда окончательно имеем

0=К

ыи

Ж-2р

(Б+2СС+ ,+ 3БС2 + 4Щ3

д£+/

дх

Япп ,(15)

где п - количество дрен (лучей); а1 = 0,5; а2 = 3; Я - степень откачки инфильтрата.

На основе методики численного моделирования изучены основные закономерности динамики полей давления, концентрации взвеси и насыщенности твёрдыми частицами пористой среды применительно к реальным гидрологическим процессам в русловом аллювии вблизи инфильтрационных водозаборов. Повышение точности расчёта исследуемых параметров было достигнуто за счёт решения двухмерной задачи о течении суспензии в пористой среде, которая представляет собой следующую систему уравнений:

• уравнение неразрывности для жидкой фазы в виде:

тп

д^ дт

(

дЧх , дЧ

Л

+ ■

дх ду

(17)

х

кг ш

ш хм

Рис. 1. Гидравлическая схема совершенной скважины в условиях безнапорного неустановившегося движения

уравнение неразрывности для твердой фазы:

(18)

дё дЯхТ дЯ у ,т

т0 — =-— + ——;

дт дх ду

• уравнение кинетики массообмена суспензии в пористой среде:

уравнение неразрывности для суспензии

дт

(

Р

аоС

Со-с

л

(21)

1 -р.

= о,

(19)

уравнение для поля гидродинамического давле-

ния:

(1 -одт+^

дт то

= -(1 -е)д-Г

У ' дт

др дх

др

Я, — + Я у^ + я,— ду

др дг

У

, (20)

Из расчёта процесса кольматации в условиях двухмерной задачи следует, что заиленность порового пространства приводит к уменьшению коэффициента проницаемости, причём неравномерно по высоте аллювия. Это, в свою очередь, обуславливает перестройку поля гидродинамического давления. Видно, что с течением времени происходит рост градиента гидродинамического давления в зоне аллювия, прилегающей к поверхности, и его уменьшение в области, находящейся вблизи дрены. Указанные явления ведут к уменьшению удельного расхода дрены во времени.

О, м3/сут

1400 1200 1000 800 600 400 200

0 1 2 3 4 5

—О, м3/сут при Кф = 500м/сут

, мес

10 11 12

О, мз/сут при Кф = 1000м/сут

Рис. 2. Динамика изменения производительности водозабора в зависимости от времени года

0

Q,м3/сут

50000 40000 30000 20000 10000 0

S,м

0 0,3 0,6 0,9 1,2 1,5 1,8 2,1 2,4 2,7 3 3,3

♦ 0,м3/сут при Кф = 500 м/сут и а = 1000 м2/сут 0,м3/сут при Кф = 1000 м/сут и а = 1000м2/сут

Рис. 3. Динамика изменения удельного расхода воды в зависимости от понижения уровня

На основе результатов натурных наблюдений работы инфильтрационных водозаборов г. Красноярска определены: уровни подземных вод в различные периоды года и при различных значениях водоотбора; пределы колебания температуры подземных вод и зависимости температуры от различных факторов; стабильности химического и бактериологического состава подземных вод. Изложена методика расчёта при решении задачи выбора оптимальных характеристик инфильтрационных водозаборов.

При анализе результатов наблюдений получены расчётные зависимости для вертикальных водозаборных сооружений совершенного и несовершенного типов в условиях безнапорного неустановившегося движения.

Выявлено, что уровневый режим подземных вод характеризуется чёткой сезонной изменчивостью: неуклонное понижение уровня в течение холодного периода и его подъём с наступлением теплого периода (рис. 1).

Определение динамики расходов воды производилось на основе натурных значений расходов воды (рис. 2), а также на определении естественных значений динамических горизонтов в сооружении (рис. 3).

Теоретические расчёты по каждому водозабору при построении режимов работы сооружений позволяют определить коэффициенты запаса водного баланса островных пойм, где расположены водозаборные сооружения.

Библиографический список

1. Турутин Б.Ф. Расчёт дебита подрусловых дрен инфильтрационных водозаборов с учётом кольматации русел // Изв. вузов. Энергетика. 1977. № 10. С. 113-118.

2. Турутин Б.Ф., Лютов А.В. Процессы формирования стока шугольда в паводковый период бассейна р. Енисей // Динамика и термика рек, водохранилищ и прибрежной зоны морей: тр. V конф. М., 1999. С. 142-144.

3. Турутин Б.Ф., Матюшенко А.И., Лютов А.В. Анализ формирования режима подземных вод в зоне влияния Красноярского водохранилища // Социальные проблемы инженерной экологии, природопользования и ресурсосбережения: тез. докл. конф. Вып. V. Красноярск, 1999. С. 9-11.