Защита природных водных объектов от техногенного загрязнения взвешенными веществами при вводе в эксплуатацию руслоотводных каналов Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

© Т.А. Манилюк, 2007

УДК 627.157:532.5 Т.А. Манилюк

ЗАЩИТА ПРИРОДНЫХ ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ ОТ ТЕХНОГЕННОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ ВЗВЕШЕННЫМИ ВЕЩЕСТВАМИ ПРИ ВВОДЕ В ЭКСПЛУАТАЦИЮ РУСЛООТВОДНЫХ КАНАЛОВ

~П настоящее время значительно возросло воздействие хо-

X-# зяйственной деятельности человека на окружающую природную среду. Среди проблем, обусловленных этим воздействием, важное место заняла проблема чистой воды, поскольку поверхностные воды оказались наиболее чувствительным звеном природной среды. Без тщательного контроля состояния последних невозможно предупредить возникновение неблагоприятных экологических ситуаций.

Особенно заметный ущерб наносится окружающей среде при отработке открытых россыпных месторождений полезных ископаемых, в частности, при добыче россыпного золота.

Добыча золота может осуществляться на поймах рек, а также под их руслами, поэтому в последнем случае русло реки отводят от месторождения руслоотводным каналом.

Руслоотводной канал без защитных покрытий по существующим нормативам зачастую рассчитывается на неразмывающую скорость, c целью уменьшения объема земляных работ при строительстве. При этом предполагается, что поскольку деформаций в нем не наблюдается, то и загрязнения взвешенными веществами не происходит. В действительности же, в несвязных грунтах, самые мелкие, слагающие канал фракции, способны перейти во взвешенное состояние. Вследствие этого, содержание взвешенных частиц в русле реки, после прохождения потока через канал, значительно увеличится, и может превышать предельно-допустимую концентрацию (ПДК), что в свою очередь негативно скажется на гидро-бионтах, рыбах, и на человека в целом [1].

Для достижения норм ПДК в водотоке, в настоящее время можно предусмотреть следующие мероприятия:

1) искусственную отмостку ложа канала грунтом тех фракций, которые слагают основное русло водотока;

2) устройство в конце канала отстойника для перехвата взвешенных частиц.

В качестве альтернативного мероприятия по соблюдению нормативов качества воды в реке в настоящей работе предлагается поэтапная промывка канала, которая представляет собой постепенное по времени увеличение расхода воды в нем, в результате чего мутность воды в реке не будет превышать ПДК [2].

При поэтапной промывке канала на каждом ]-ом этапе необходимо определить:

1) гидравлические элементы потока по известным формулам гидравлики для пропускаемого по каналу расхода воды, из условия его неразмываемости.

2) транспортирующую способность (Sтрj) и концентрацию

взвешенных загрязняющих частиц (SK) по длине по формулам

А.В. Караушева;

2) допустимую к сбросу концентрацию взвешенных веществ

k

т}- в воде канала, в зависимости от вида водопользования;

3) объем частиц V ■, выносимых из канала;

4) время промывки канала Т^, сутки.

Расчет поэтапной промывки в настоящее время невозможен, так как:

а) отсутствует модель взаимодействия потока и грунта, слагающего канал, в условиях неразмывающей скорости, определяющая количество взвешенных веществ поступающих в поток;

б) формулы по определению насыщения осветленного потока взвешенными веществами по длине (в том числе формула А.В. Ка-раушева) справедливы для условий неограниченного поступления в поток мелких фракций грунта, слагающих канал, в то время как в условиях неразмывающей скорости их поступление в поток ограниченно.

Исходя из сказанного, задачами исследований являются:

1. Разработка модели взаимодействия потока и грунта в условиях неразмывающей скорости;

2. Корректировка формулы А.В. Караушева для насыщения осветленного потока по длине в условиях ограниченного поступления мелких фракций грунта в поток.

В настоящей работе для определения транспортирующей способности потока, был выбран теоретический метод А.В. Караушева, т.к. позволяет учитывать насыщение потока по длине. Уравнение распределения концентрации взвешенных загрязняющих частиц (мутность потока) по длине потока имеет вид [3]:

B■(W)

Г^к

Sl = Sтр + №нач ~ Sтр)' в ' , (1)

где S l - мутность потока в выходном сечении канала для расчетного расхода, кг/м3; I- длина канала, м.

Как уже было сказано выше, формула А.В. Караушева (1) справедлива для условий неограниченного поступления в поток мелких фракций грунта, слагающих канал, поэтому ее можно использовать в расчетах поэтапной промывки только на первом этапе (рис. 1, а).

Считается, что на этом этапе происходит весь возможный смыв наиболее мелких частиц с площади х1 ■ I (здесь х1 - смоченный периметр для расхода Q\K), а на втором и каждом последующем этапе (рис. 1, б), смыв происходит только с части смоченного периметра (X] - X]-1), расходом Q *.

В действительности же, при увеличении расхода (а значит и скорости) на каждом последующем этапе возникает дополнительный смыв с ранее промытого периметра, который в силу своей малости в предлагаемой нами методике не учитывается.

Таким образом, в разработанной модели предполагается (допущение 1), что все мелкие частицы, способные перемещаться во взвешенном состоянии, уже вымыты на предыдущем этапе, т.е. на каждом последующем ]-ом этапе будут вымываться частицы только с периметра (X] - X]-1) расходом Qкj .

Так как насыщение потока по длине в формуле (1) происходит по всему смоченному периметру канала, а при поэтапной промывке предполагается, что насыщение происходит только с части смоченного периметра (со стенок канала по мере

а)

б)

а - первый этап промывки; б - последующие этапы промывки Рис. 1. Схема к определению поправочного коэффициента К )

увеличения расхода воды в канале), на наш взгляд, целесообразно ввести в формулу (1) поправочный коэффициент для длины насыщения К j, равный:

К = X) Хі-х . (2)

j X)

С учетом поправочного коэффициента К) формула (1) примет

вид:

В■ ^+ку)

-------3— ■ Кг I

к /”) к

S^ = Sтr, + ^,Sнач - Я„р1 )■ е ^ , (3)

где SKJ - концентрация взвешенных веществ (мутность) в конечном

створе канала длиной I, кг/м3.

Определив по формуле (1) мутность потока в конечном створе канала на первом этапе и по формуле (3) на последующих этапах, необходимо сравнить их с допустимой к сбросу концентрацией

взвешенных веществ т’к~ в канале.

Методом последовательного приближения, изменяя расход ек в канале, и глубину его наполнения h ■ (а, следовательно, и изменяя смоченный периметр X]) на каждом этапе требуется выполнение условия:

^ = тк. (4)

Для того чтобы рассчитать допустимую к сбросу концентрацию взвешенных веществ на выходе из канала, необходимо рассмотреть схему перераспределения расхода воды из русла реки в канал, без учета ассимилирующей способности и с учетом предположения, что в месте слияния канала и русла реки происходит полное перемешивание взвешенных веществ (допущение 2).

От общего расчетного расхода воды в реке Qрасч часть воды отводится в руслоотводной канал ек, а часть остается в реке ер

(рис. 2). После слияния водные потоки реки и канала смешиваются. Предельно допустимая концентрация взвешенных веществ после слияния не должна превышать Сфон + Сдоп, где Сфон - фоновая

концентрация взвешенных веществ в водном объекте, кг/м3 ; С доп

- допустимое по нормативным требованиям увеличение содержания взвешенных веществ в водном объекте, кг/м 3 .

Допустимая к сбросу концентрация взвешенных веществ определяется по формуле:

тк=Сфон + Сдоп -((е; / як)+1). (5)

Рис. 2. Определение массового расхода после слияния водных потоков реки и канала

Чтобы оценить возможность реализации поэтапной промывки, необходимо предварительно определить за какое время промоется канал. Для этого важно знать объем частиц, способных перемещаться потоком в канале, в связи с чем, автором разработана модель транспорта наносов, вымывающихся из канала в условиях неразмывающей скорости.

В данной работе рассматриваются только каналы, проложенные в несвязных грунтах. По своей структуре несвязный грунт имеет неоднородный состав, т.е. это система дискретных частиц с определенной гидравлической крупностью W.

Характерные режимы движения частиц могут быть ориенти-

и* ТТ

ровочно оценены по соотношению —, где и *- скорость трения (динамическая скорость). Для взвешенных частиц [4]:

и *

1,7 < —. (6)

W

Максимальный диаметр взвешенных частиц, удовлетворяющий условию (6) обозначим как dвзв. Следовательно, частицы диаметром меньше или равным dвзв могут перемещаться потоком во

взвешенном состоянии.

Рассмотрим грунт в виде частиц различного диаметра (частицы 1, 2, 3, 4) на горизонтальном плоском дне (рис. 3).

Частицы 1 и 2 являются крупными и имеют диаметр d > dср ,

а т.к. канал рассчитывается на неразмывающую скорость, то следовательно, они остаются неподвижными.

Рис. 3. Схема взаимодействия потока и частиц

Частицы 3 и 4 имеют диаметр в диапазоне dвзв < d < dср , и

если они «не защемлены» другими, более крупными частицами, то могут перемещаться потоком, причем, частицы 4 имеющие диаметр d < dвзв, могут перемещаться потоком во взвешенном состоянии.

Для определения объема частиц, способных перемещаться потоком во взвешенном состоянии, необходимо определить толщину слоя, из которого такие частицы могут быть вовлечены в поток.

В данной работе предполагается (допущение 3), что представленный на рис. 3 слой, толщина которого равна размеру среднего диаметра частиц dср, является «условно подвижным слоем», т.е. таким активным слоем донных отложений, из которого частицы, диаметром меньше среднего (d < dср ) могут быть вовлечены в поток как во взвешенном, так и во влекомом состоянии.

Масса частиц, способных перемещаться во взвешенном состоянии, составит:

где X I - площадь канала, находящегося под воздействием водного

нан ’

(7)

потока, м2; dcр - толщина «условно подвижного слоя», м, Р взв

содержание взвешенных частиц по весу (в долях от единицы) диаметром равным или меньше dвзв, м; рнан - плотность грунта (на-

Предельный массовый расход грунта (твердой фазы), выносимый из канала в виде взвеси, при котором в контрольном створе водотока концентрация взвешенных веществ не будет превышать нормативной величины (ПДК), составит:

Таким образом, общее время промывки канала определяется по формуле:

Если определенное по формуле (9) время промывки канала удовлетворяет требованиям организации, проводящей работы по эксплуатации канала, то рационально применить метод поэтапной промывки. В противном случае, можно выбирать альтернативные варианты водоохранных мероприятий (устройство отстойников, отмостку дна канала и др.).

Расход Q1к (на первом этапе) определяется из условия, когда

допустимая к сбросу концентрации взвешенных веществ шК будет соответствовать концентрации загрязняющих взвешенных частиц Sn, определенной по формуле (1).

После проведения 1-ого этапа промывки необходимо увеличить расход воды в руслоотводном канале и осуществить 2-ой этап (и далее - последующие этапы).

Для каждого этапа заново рассчитываются гидравлические элементы потока, концентрация взвешенных загрязняющих частиц в конечном створе канала (мутность потока), определяют объем частиц, способных перемещаться во взвешенном состоянии, а также допустимую к сбросу концентрацию взвешенных веществ, причем при обязательном выполнении условия (4).

Промывка канала считается завершенной, если по каналу будет пропущен весь расчетный расход воды (Q] = Qрасч).

носов) в отложениях, кг /м3.

(8)

нан

(9)

Время промывки на каждом этапе Tj, сек или время, по истечении которого все частицы, способные перейти во взве-

си

а

а

£Т]/Т

пром

Рис. 4. Зависимость безразмерных параметров

о!

о,

и

ул

т

для тре-

расч пром

угольного и гидравлически наивыгоднейшего трапецеидального поперечных сечений

шенное состояние, и в соответствии с предлагаемой методикой будут выноситься из канала, определяется по формуле:

V р

Т =_2^иш_, (10)

7 глк <?к х 7

У] 'ьи

где V ■ - объем взвешенных частиц, выносимых из канала, м3, который определяется на первом этапе по формуле:

V = *1 -1^Ср-рвзв, (11)

а на последующих этапах по формуле:

V = (*/ - Х]-1)- 1^ср-рех. (12)

В результате проведенных автором расчетов, для регулирования расходов в каналах треугольного и гидравлически наивыгоднейшего трапецеидального поперечных сечений получен график

О У т.

—— = ^ ( 1), (рис. 4) , где Тпром - общее время промывки, опре-

Орасч Тпром

деляется по зависимости (9), а ^ Т ■ - время промывки нарастающим итогом.

График представленный на рисунке 4 справедлив для условий:

Qnnru = 0,5...100 м3/сек; dp = 0,005...0,05 м; l = 500...3000 м;

расч ~ ’ ср 7 7 7 7

коэффициент заложения откосов m = 2.3; рнан = 1750 кг/м3; Резе = 0,05. 0,2.

Регулирование расхода в канале предполагается осуществлять с помощью различных гидротехнических сооружений, например, таких, как тканевые плотины или подпорные перемычки [5].

В настоящей работе предложено решение важной задачи по защите от загрязнения взвешенными веществами водных объектов путем применения поэтапной промывки руслоотводного канала, проложенного в несвязных грунтах, в начальный период его эксплуатации, и изложены технические решения, позволяющие реализовать предложенный способ.

Предлагаемая методика позволит привести в соответствие с нормативами водопользования и охраны окружающей природной среды проектирование и эксплуатацию каналов (руслоотводных, мелиоративных и другого назначения) в начальный период их эксплуатации.

--------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Косарев С.Г. Защита малых рек от загрязнения при отработке россыпных месторождений золота в Забайкалье / С.Г. Косарев С.Г., Т.А. Манилюк // Управление устойчивым водопользованием. М. - Екатеринбург, 1997. - С. 97-98.

2. Manilyuk T.A. Phased washing earthen bypass channel as away of water object protection from the pollution by weighted material / Т.А. Manilyuk T.A // Материалы Международной научно-практической конференции «Охрана и рациональное использование трансграничных вод». - Улан-Уде -Улан-Батор: Изд-во Бурятского госуниверситета, 2006. - С.98-100.

3. Караушев А.В. Теория и методы расчета речных наносов / А.В. Караушев.-Л.: Гидрометеоиздат, 1977.- 260 с.

4. Гидравлические расчеты водосборных гидротехнических сооружений: Справочное пособие; ред. А.Б. Векслер. - М.: Энергоатомиздат, 1988 .- 624 с.

5. Волосухин В.А. Тканевые и сетчатые конструкции в водном хозяйстве /

В.А. Волосухин.- Новочеркасск: НИМИ, 1984.- 100 с.

— Коротко об авторах -----------------------------------------------

Манилюк Татьяна Александровна - старший преподаватель, кафедра водного хозяйства и инженерной экологии, Читинский государственный университет,