CC BY
36
РАСЧЕТ ТРАНСФОРМАЦИИ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ ПО ДЛИНЕ ВОДОТОКА
Научные интересы: комплексное использование, охрана и восстановление водных ресурсов
Н.М. Шарапов, к. техн. н., доцент каф. «Водное хозяйство и инженерная экология», ЧитГУ
Научные интересы: комплексное использование, охрана и восстановление водных ресурсов
УДК 556. 1
Н.П. Турушев, ассистент каф. «Водное хозяйство и инженерная экология», ЧитГУ
Любое антропогенное воздействие на водные объекты, связанное с забором или сбросом сточных вод, хозяйственная деятельность на их водосборах отражается на количественных и качественных характеристиках, нарушении нормального функционирования экосистемы водоемов и снижении их способности к самовосстановлению.
В статье рассмотрены вопросы расчета трансформации загрязняющих веществ по длине водных объектов с учетом региональных особенностей. Получены зависимости для расчета трансформации загрязняющих веществ по длине водотока с учетом региональных особенностей ■
THE ACCOUNT OF POLLUTING SUBSTANCES' TRANSFORMATION ALONG A WATER OBJECT
Any anthropogenous influence on water objects connected with a fence or dump of waste water, economic activity on the territory of formation of waters is reflected in the quantitative and qualitative characteristics, infringement of normal functioning of reservoirs' ecosystem of reservoirs and decrease of their ability to selfrestoration.
In the article the questions of account of polluting substances' transformation along a water objects are considered in view of regional features. The dependences for account of polluting substances' transformation along a water object are received in view of regional features ■
* * *
Любое антропогенное воздействие на водные объекты, связанное с забором или сбросом сточных вод, отражается на их количественных и качественных характеристиках, нарушении нормального функционирования экосистемы водоемов и снижении их способности к самовосстановлению.
Речной бассейн представляет со-
бой единую и достаточно автономную геоэкосистему, основные элементы которой связаны с текущими природными водами. Бассейн реки включает в себя две относительно самостоятельные, но постоянно взаимодействующие подсистемы: реку с притоками и ее водосбор. Следовательно, рассматривать их необходимо как единую геоэкосистему,
формирующуюся в конкретных физикогеографических условиях (геологических, почвенных, климатических), характерных для данного региона или района.
Под влиянием хозяйственной деятельности на водосборе и в русле экосистема водного объекта изменяется. Восстановление же экосистемы может быть эффективным только при одновременном проведении водоохранных мероприятий как на водосборе, так и в самой реке, так как односторонние мероприятия могут в лучшем случае стабилизировать отдельные элементы системы, но не дать желаемого результата в целом.
Концепция использования, восстановления и охраны водных ресурсов является основной составляющей и неотъемлемой частью рационального водопользования и позволяет проводить программно-целевое планирование водохозяйственной деятельности в бассейне реки и решать задачи оптимального водообеспечения населения и экономики, а так же улучшать экологическое состояние водных объектов [1, 2,
3].
Эта концепция предусматривает следующие этапы:
- оценка существующего состояния водного объекта, его стабилизация, выявление источников поступления загрязняющих веществ;
- разработка водоохранных мероприятий как для водного объекта, так и его водосбора, для поэтапного его восстановления до близкого к естественному природному состоянию;
- непрерывный мониторинг гидрохимических показателей водного объекта при выполнения водоохранных мероприятий.
Экологически ориентированные нормы при оценке качества воды учи-
тывают основное требование - необходимость защиты экосистемы «водный объект-водосбор» в целом, для обеспечения стабильности функционирования экосистемы водного объекта и последующего восстановления экологического равновесия в нем.
Приведение антропогенных нагрузок на водные объекты и их водосборы в соответствии с их «экологической емкостью» отражает соотношение между антропогенным воздействием и степенью восстановительной способности водного объекта. Конечная их цель состоит в обеспечении обоснованного сочетания экологических и экономических интересов для эффективного и стабильного использования водных ресурсов.
Экологическое состояние водных объектов определяется на основе мониторинга. Однако существующая незначительная сеть гидрологических постов не позволяет дать объективную оценку экологического состояния водного объекта, произвести расчет как его гидрохимического режима, так и оценить его ассимилирующую способность. Оценить же эффективность водоохранных мероприятий на стадии их разработки, а, следовательно, определить приоритеты по инвестированию этих мероприятий, можно только на основании гидрохимического режима водного объекта.
Трансформация гидрохимического состава вод на участке между соседними створами водного объекта, с учетом его современного состояния, условий разбавления и самоочищающей способности рассчитывается по уравнению [4]
= -К . с -п‘, (1)
т II' V '
ат
где Т - время добегания до контрольного створа участка, сут;
К, - константа скорости процесса;
Сг - концентрация в начальном стационарном створе участка;
П - порядок процесса;
I - рассматриваемое загрязняющее вещество.
Константа скорости процесса ( К,) рассчитывается по формуле
К =\ ^ п -1
• (С, п-1 -т)-1,
1
-1
(2)
где X - безразмерный параметр, рассчитываемый по формуле
С-
Хг = ^ , (3)
С
0
С г т и С г о
соответственно кон-
где Сгт и Со центрации г -ого рассматриваемого загрязняющего вещества в произвольном и существующем стационарном створах.
Порядок процесса (П,) рассчитывается по формуле
П = [а, • \%(Т +1)]2, (4)
где а, - коэффициент, численное значение которого в [4] предлагается принимать равным 0,5;
Т - температура воды в рассматриваемом водном объекте, °С.
Если рассмотреть уравнения (1-4), то они не удовлетворяют теории размерности, а следовательно, могут быть применимы только в тех условиях, для которых они получены.
Если ввести допущение, что рассматриваемое загрязняющее вещество является консервативным, не взаимодействует с другими видами загрязнений, то эти уравнения можно привести к
безразмерному виду с использованием п -теоремы Букингэма [5].
Предположим, что явление характеризуется следующими величинами:
- характерным линейным размером, в качестве которого можно принять перепад отметок дна между существующими стационарными створами водного объекта, т.к. русла большинства рек имеют древнее происхождение и глубокий эрозионный врез, долины рек хорошо разработаны и поэтому мало подвержены изменению во времени;
- гидравлической характеристикой потока, в качестве которой примем среднюю скорость воды в пределах рассматриваемого участка (Уср), т.к. данная величина влияет на процесс насыщения потока кислородом, а следовательно, и на процессы смешивания загрязняющих веществ и их самоочищение в водотоке;
- температурой воды в водотоке (Т ), значение которой в значительной степени определяет скорость процесса самоочищения;
- допустимой концентрацией рассматриваемого вещества ( Спдк ), так как именно ПДК определяет возможность использования воды для конкретного вида водопользования;
- ускорение свободного падения ( g ), так как движение воды происходит
под действием силы тяжести.
Если в качестве независимых величин принять следующие: перепад отметок дна на рассматриваемом участке водного объекта (Нср), рассчитываемый по формуле: Нср = (Н1 + Н 2 )/ 2,
где Н1 и Н2- соответственно отметки дна в существующих стационарных створах водного объекта; среднюю ско-
рость воды в пределах рассматриваемого участка (Уср); ПДК рассматриваемого вещества (Спдк ), а так же ускорение свободного падения (g). Численные значения Н^, Н2 и Уср могут быть
приняты в первом приближении по данным УГМС в существующих стационарных створах.
После несложных преобразований получим два п -члена:
- первый - отношение концентрации рассматриваемого загрязняющего вещества к соответствующему ПДКг (Сг / Спдк), которое обозначим через
С г;
- второй - обратная величина числу Струхала, учитывающая время добе-гания воды до произвольного рассматриваемого створа и рассчитываемый по уравнению
1 ¥сР 'Т, (5)
® Нср
где Уср - средняя скорость воды в пределах рассматриваемого участка;
Нср - перепад отметок дна между
существующими стационарными створами водного объекта.
С учетом принятых обозначений и вышеуказанных п -членов уравнение (2) в безразмерном виде запишется как / „ \ - \
Кг =
1
1
1
(6)
1
• (С п -1 • —) -1 (Сг0 ^
При преобразовании уравнения (4) предварительно необходимо сделать следующие замечания.
Согласно [4], порядок процесса
( пг ) зависит только от температуры.
Однако на процесс самоочищения влияет не только температура, но и гидравлические характеристики потока, в качестве которых можно принять среднюю глубину в пределах рассматриваемого участка и среднюю скорость в пределах этого же участка.
Используя принятые гидравлические характеристики потока, и с учетом того, что движение воды происходит под действием силы тяжести, основным определяющим фактором которой является ускорение свободного падения ( g ), на основании п -теоремы Букингэма коэффициент (аг) в уравнении (4) можно выразить функцией числа Фруда ( Рг ), т.е.
а г = / (Рг). (7)
Численное значение числа Фруда рассчитывается по формуле
Рг = V 2/( g - Нср). (8)
Кроме того, характерной особенностью рек Восточного Забайкалья является то, что среднесуточная температура воды в летний период изменяется в пределах 16...24 °С, т.е. незначительно отличается от нормальной. Следовательно, естественную температуру воды в водном объекте целесообразно отнести к 20 °С. Данное допущение можно обосновать следующим.
Во-первых, для данной температуры свойства жидкости определены.
Во-вторых, если построить графическую зависимость удельного веса воды от температуры (у = /(Т)), то в
диапазоне температур 4.20 °С она хорошо аппроксимируется линейной зависимостью (коэффициент корреляции при этом составляет 0,94).
С учетом вышесказанных замечаний, уравнение (4) можно записать
п = [ Ргк- 1в(Т +1)]2, (9)
Т20
где к - показатель степени, численное значение которого зависит от характеристик -ого рассматриваемого загрязняющего вещества.
Таким образом, с учетом принятых допущений и замечаний исходное уравнение (1) в безразмерном виде будет иметь следующий вид:
^ = -к,-СГп . (10)
ат
После интегрирования и преобразования уравнение (10) для расчета концентрации -ого рассматриваемого загрязняющего вещества в произвольном створе, расположенном на расстоянии Ь от существующего стационарного, примет вид
1
- - п+1 - - -1 --
С гт = [С г0 - К • (п +1) •—] п +1. (11)
Ьп
Уравнение (11) с учетом расход водотока позволяет рассчитывать массовые расходы в произвольном створе, расположенном на расстоянии Ь от существующего стационарного.
Для расчета трансформации гидрохимического состава вод водного объекта по уравнению (11), необходимы следующие данные по существующим стационарным гидрологическим постам:
- расходы воды, концентрации характерных загрязняющих веществ;
- расстояния между этими створами;
- время добегания до рассматриваемого створа (Т) (определяется как отношение расстояния от существующего стационарного створа до рассматриваемого (L) на среднюю скорость течения воды на этом участке ( VCp )
Т = L/Уср. (12)
ЛИТЕРАТУРА
1. Водосбор. Управление водными ресурсами на водосборе / под науч. ред. А.М.Черняева; РосНИИВХ. - Екатеринбург: Виктор, 1994. - 160 с.
2. Бассейн. Эколого-водохозяйственные проблемы, рациональное водопользование / А.М. Черняев, М П. Дальков, И.С. Шахов, Н.Б. Прохорова; РосНИИВХ. - Екатеринбург: Виктор, 1995. - 366 с.
3. Об оценке водно-экологического состояния водосбора и планировании мероприятий по его улучшению на основе интегральных показателей / В.Н. Заслоновский, Н.М. Шарапов, В.И. Капралов, ТВ. Черепанова // Водное хозяйство России. - 2003.
- Т. 5. - № 1. - С. 18-29.
4. Управление водными ресурсами в бассейне реки / под науч. ред. А.М. Черняева; РосНИИВХ. - Екатеринбург, 1993. - 120 с.
5. Михалев М.А. Инженерная гидрология. Лабораторный практикум / М.А. Михалев, Т.Д. Кумина - Л.: ЛПИ, 1980. - 72 с.
