автореферат диссертации по строительству, 05.23.04, диссертация на тему:Динамика разбавления в водотоках загрязнений, поступающих от организованных и неорганизованных источников

На правах рукописи

ГОРБАЧЕВ Влади:

Динамика разбавления в водотоках загрязнений,

поступающих от организованных и неорганизованных источников

05.23.04 — "Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов"

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ростов - на - Дону, 1997

Работа выполнена на кафедре ВиВ РГ'СУ г Ростов — на— Дону и АО "Агрисовгаз" РАО "ГАЗПРОМ", г. Малоярославец, Калужская область.

Парный руководитель:

доктор технических наук, профессор, академик РЖКАН Н.С.Серпокрилов

Научный консультант:

кандидат технических наук, доцент А.В.Бутко

Официальные оппоненты:

доктор химических наук, профессор В.Т.Каплин

кандидат технических наук, профессор И.Н.Рождов

Ведущая организация:

АО Ростовский «Водоканалпроект»

Защита состоится " ЗР" 1997 года в 14-20 час. на

заседании диссертационного соьета К. 063.64.03 при Ростовском государственном строительном универститете по адресу: 344700, г. Ростов-на —Дону, ГСП—17, ул. Социалистическая, 162.

С диссертацией можно ознакомиться з библиотеке РГСУ.

Автореферат разослан " $$ " Л_ 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических нау^Г доцент ¡у

И.П.Турянский

1.Общая характеристика работы

1.1 .Актуальность.

Развитие промышленности, урбанизация обширных территорий и интенсификация сельского хозяйства приводит к изменению состава водных масс водных объектов в результате поступления в них загрязнений.

После выхода монографий И.Д.Родзиллера, А.В.Караушева и

H.Н.Лапшева, посвященных вопросам разбавления загрязнений в водных объектах, прошел значительный промежуток времени, в течение которого разрабатывались методы математического моделирования с вс-пользованием современных компьютеров, а также развивались подходы в комплексном решении данной задачи.

Как известно, в многочисленной технической и нормативной литературе подчеркивается, что при определении качества водных объектов желательно учитывать как можно большее количество факторов загрязнения, но детально рассматриваются только традиционные — сосредоточенные и рассеивающие выпуски (Водный кодекс РФ ст.95;.

При проектировании, планировании водохозяйственных меро — приятии, установлении ПДС, проведении экологического мониторинга и прогнозе важное значение имеет определение качества воды в результате комплексного воздействия на водные объекты антропогенных и природных факторов загрязнения:

Комплексный учет этих факторов в системе водотока дает возможность более полно представить картину загрязнения, необходимую для проведения экологического мониторинга, водохозяйственных и др. расчетов.

Настоящая работа выполнена в соответствии с комплексной научно-технической программой Минвуза РСФСР «Человек и окружающая среда. Проблемы охраны природы» и отраслевыми экологическими программами газовой отрасли.

Целыо работы является продолжение развития комплексного подхода с учетом дополнительных факторов загрязнения водных объектов при расчетах динамики загрязнения водных объектов от организованных и неорганизованных источников природного и антропогенного происхождения с разработкой программного обеспечения для ПЭВМ. Для достижения поставленной цели в ходе работы решались следующие задачи:

I. Развитие комплексного подхода при оценке и прогнозе состояния водных объектов;

2. Разработка методики учета различных видов загрязнений водпых объектов, адаптированной для дальнейшего использования на ПЭВМ;

3. Обоснование применения понятия «виртуального источника» для струйных истечений сточных вод в сносящий водный поток, разработка и адаптация его модели для расчетного метода разбавления;

4. Классификация источников загрязнения на «организованные» и «неорганизованные» для математического описания в рамках поставленной задачи;

5. Разработка методики расчета поступления атмосферных загрязнений в водные объекты и адаптация к основному расчетному методу разбавления;

6. Разработка алгоритма численного решения динамики разбавления загрязнений в водных объектах на основе баланса веществ.

Основная идея работы заключается в развитии комплексного под хода и разработке машинной методики расчета динамики разбавления загрязнений в водных объектах от организованных и неорганизованных источников.

Научая новизна работы. Разработан один из подходов комплексного учета различных техногенных и природных факторов при оценке загрязнения водных объектов расчетными методами:

• дано экологическое обоснование необходимости совместного учета основных (выпуски сточных вод из труб) и дополнительных (загрязнения, поступающие с бассейна водосбора, из атмосферы, от донных источников и т.п.) факторов загрязнения природной среды, действующих как непосредственно в русловой части, так и на водосборной площади водных объектов; основные и дополнительные факторы классифицированы как организованные и неорганизованные источники загрязнения;

• приведено уравнение баланса веществ для потока с учетом загрязнений, поступающих от организованных и неорганизованных источников;

• введено понятие "виртуальный источник", для потоков с различными кинематическими характеристиками; разработана и адаптирована его модель для расчетного метода динамики разбавления загрязнений в водотоках;

® представлена расчетная модель учета дополнительных факторов и модель сопряжения русел с различными гидрологическими характеристиками потоков;

• предложена методика и разработаны оригинальные алгоритмы и программное обеспечение для решения задач данного типа, доступные широкому кругу специалистов при использовании компьютеров;

Практическая значимость. Результаты работы позволяют оперативно, достоверно, более полно и наглядно оценивать картину загрязнения водных объектов и на базе оценок создавать модели управления и регулирования водохозяйственной деятельности.

Реализация и апробапии работы. Материалы по диссертационной работе обсуждены на НТС государственных комитетов по охране окружающей среды Ростовской и Калужской областей. Результаты роботы — программные комплексы (ПК) "Water" (расчет загрязнения водоемов) и "Space" (расчет загрязнения атмосферы) внедрены в проектных и на—

учно —исследовательских институтах РАО "Газпром": "Южниигипрогаз", АО"Агрисовгаз", "ПО Агрипроект" Калужская обл. г.Малоярославец, в Управлении экологии и рационального использования природных ресурсов исполкома Донецкого городского Совета народных депутатов и др. ПК "Space".

Основные положения и результаты работы доложены и обсуждены на Всесоюзной конференции "САПР НЕФТЕХИМ" г. Москва (1990), на научно-технических конференциях РИСИ — РГАС — РГСУ в 1994— 1997 гт. Работа внедряется для учебного процесса по курсу "Водоснабжение и канализация" в Ростовском государственном строительном университете и Донбасской государственной архитектурно — строительной академии г.Макеевка.

На защиту выносятся:

• один из подходов комплексного учета различных техногенных и природных факторов при оценке загрязнения водных объектов;

• методика расчета характеристик виртуального источника при истечении сточных вод в сносящий водный поток;

• методика расчета влияния дополнительных факторов на загрязнение водных объектов;

• расчетная модель сопряжения русел с различными гидрологическими характеристиками потока;

• методика расчета полей концентраций загрязняющих веществ в плане водотока и в произвольных поперечных и продольных сечениях русла;

• машинная методика расчета динамики разбавления загрязнений водных объектов организованными и неорганизованными источниками;

Публлкаштн. Основные результаты исследований опубликованы в 6 печатных работах, а также в отчетах НИР.

Объем п структура диссертации : введение, 5 глав, выводы, список литературы и приложения. Общий объем диссертационной работы — 192 страниц, в т.ч. 149 страниц машинописного текста, 20 рисунков, 18 графиков, 12 таблиц, 131 литературный источник, приложения.

Содержание работы.

Глава I посвящена описанию современного состояния вопросов расчета динамики разбавления сточных вод в водных объектах, а также предстанлена общая постановка задачи в данной работе. Характеризуются факторы, влияющие на водные объекты, виды источников загряз — нения и их классификация. Обоснована необходимость дополнительной классификации источников на организованные и неорганизованные.

Рассмотрены основные положения, процессы и подходы к оценке влияния каждого из них на качество водных объектов. Приведены характеристики отдельно по каждому классу источников.

Дан краткий обзор существующих методов расчета динамики раз — бавления сточных вод, совместный анализ данных методов по отношению к объекту исследования — гидравлическим и гидрологическим характеристикам, источникам загрязнения, требованию к качеству воды.

Приведен обзор методов расчета загрязнения атмосферы, как необходимого условия для учета дополнительных факторов загрязнения водных объектов.

Обоснованы и сформулированы для постановки и решения основные задачи исследований:

1. Учет дополнительных факторов загрязнения водных объектов;

2. Разработка методики оценки величины поступления загрязнений от неорганизованных источников — из атмосферы, от берегового сброса, от донных отложений;

3. Уточнение для учета неоднородности кинематических характеристик струйных истечений для чего вводится понятие "виртуального" источника с определенными его параметрами.

4. Выбор основного метода расчета и адаптация его применительно к совместному расчету разбавления загрязнений от организованных и неорганизованных источников;

5. Разработка методики и алгоритма сопряжения русел применительно к методу конечных разностей для возможности алгоритмизации расчета разветвленных русел.

6. Разработка методики, алгоритма и программного обеспечения расчета и построения полей концентраций как в плане, так и в произвольных сечениях вдоль и поперек русла.

7. Для учета атмосферных загрязнений, поступающих в водные объекты, необходимо разработать программное обеспечение расчета рассеивания в атмосфере выбросов промышленных предприятий. При этом необходимо разработать методику расчета начального подъема газовых струй при критических истечениях выбросов в атмосферу, на которые сегодня нет ответа в нормативно — методической литературе.

Существующие нормативные методы расчета разбавления сточных вод в водных объектах, а следовательно, и программы для ПЭВМ, разработанные по данным нормам, учитывают за1рязнения, поступающие в водные объекты только от сосредоточенных или рассеивающих выпусков, т. е. — от организованных источников, не учитывая загрязнения, поступающие от неорганизованных источников.

Гласа 2 посвящена постановке задачи по учету основных и дополнительных факторов на качество воды водных объектов при расчете разбавления загрязнений. Рассматриваемые основные и дополнительные факторы воздействия на водный объект следующие (см. рис. 1):

: ; I . : : : ; ; ! I ! : : : ! / /

л'о,

со •;,. ■ • ; : :

л?, !■:!.. : ; ■ •' : ; ■ ::■■:■ ,

Загрязнения из атмосферного воздуха :

сухое осаждение,

мокрое

осаждение,

Дождевой сток ^ Дождевой сток

_____

Выпуск ^"ТХЗЛ^-ХЗ^^"^- БЫП^

_/ \ СТТ^НЫХ вод

сточных вод Подземные х Донные стлажемая

воды

Рис. 1. Основные и дополнительные факторы загрязнения водных

объектов

По характеру своего воздействия на качество вод загрязняющие факторы подразделяются на две основные группы:

1. Действующие непосредственно в руслах или на акватории водоема (выбросы из источников через сосредоточенные и/или рассеивающие выпуски, донные отложения, подземные воды, сухое и мокрое осаждегоге взвешенных частиц и аэрозолей на водную поверхность, растворенье газообразных загрязнений через зеркало воды);

2. Действующие на водосборной площади (изменения на поверхности водосбора, внесение удобрений и пестицидов с дождевым стоком, загрязнения от животноводческих комплексов, полив сельскохозяйственных культур, выпадение загрязнений из атмосферы в виде сухого и мокрого осаждения на поверхность водосбора и т.п.)

Для оценки влияния факторов первой группы достаточно рассчитать параметры зон загрязнения и влияния, которые будут формироваться непосредственно в руслах системы водотоков. Д\я этой цели применяются методы расчета разбавления сточных вод в водотоках и водоемах /А_В.Караушев, И.ДРодзиллер, Н.Н.Лапшев, Л.Л.Пааль, ВАСууркаск, М.А.Бесценная, и др/. Расчет трансформации ингредиентов, вторичного загрязнения донными отложениями, самоочищения /В.Т.Каплин, А.Н.Попов и др./.

Оценка влияния факторов второй группы требует учета большого числа взаимосвязей между характеристиками качества воды, состоянием водного объекта и окружающей природной среды, а также с характером и интенсивностью антропогенной нагрузки. Это загрязнение атмосферы ггромышленно — селитебного региона, агрохимические мероприятия на сельскохозяйственных территориях бассейна водосбора, дождевой сток с сопутствующими загрязняющими веществами. Детальное изучение ка-

ждого из этих факторов является обособленной крупной проблемой. Е настоящее время наиболее изучены и разработаны методы учета ангро -погенного воздействия на атмосферу /М.Е.Берлянд, Е.Л.Геиихович Р.И.Оникул, Е.Н.Теверовский, и др./, на водоемы — А.В.Караушев И.Д.Родзиллер. В.Т.Каплин, Н.С.Серпокрылов, Н.И.Куликов И.Н.Рождов А.Н Попов, В.С.Дикаревский, А.М.Курганов, А.П.Нечаев, М.И.Алексеев, и АР-

Для математического моделирования источники загрязнения водны* объектов можно подразделить на две группы — организованные и неорган изованные.

Организованные - источники, геометрические и эмиссионные характеристики которых могут быть четко детерминированы (сброс сточных вод от промышленных источников через сосредоточенные и/или рассеивающие выпуски, каналы и т.п.).

Неорганизованные — источники, конфигурация и эмиссионные характеристики которых »шляются случайными величинами (загрязнения, поступающие из атмосферы — сухое и мокрое осаждение, растворение газов через поверхность воды, сток дождевых вод с прилегающих берегов бассейна водосбора, донные отложения и т.п.).

Основной целью данного разделения является то, что организованные источники теоретически можно описать точной математической моделью, а для неорганизованных источников необходима та или иная статистическая модель.

Проведенный совместный анализ существующих методов по расчету разбавления загрязняющих веществ в водных объектах показал преимущества применения метода конечных разностей, как основного при развитии комплексного подхода, а также необходимость продолже — ния работ в целях создания обобщенной постановки задачи по учету различных факторов загрязнения водных объектов и их бассейна.

Обоснована и рассмотрена задача «виртуального источника» загрязнения при истечении из организованных источников (трубы), выбрасывающих сточные воды со скоростью большей, чем скорость сносящего потока. Особый практический интерес связан с круглыми струями, развивающимися в равномерном сносящем потоке, а именно их траектория, геометрия, форма и размеры поперечных сечений, закономерности падения осевой скорости и концентрации примеси. В общем случае под виртуальным источником подразумевается некоторая область в потоке реки с такими параметрами истечения, чтобы вклад этих параметров в распределение загрязнений в любом сечении после виртуального источника был эквивалентен вкладу реального источника.

Обоснована задача определения поступлений примесей в водные объекты от неорганизованных источников таких как: свободная поверхность воды, береговая линия, донная поверхность, атмосфера, объемные источники.

Рассмотрена физическая постановка задачи. Сформулированы наиболее общие физические и гидрохимические принципы, положенные

в основу математической модели, дана в явном виде структура приближений, используемая в работе для получения приемлемой, с точки зрения пашинной реализации, упрощенной математической модели расчета динемики разбавления в водотоках загрязнений организованных и неорганизованных источников.

Задача моделирования распространения загрязнений по руслу водотока рассмотрена с учетом воздействия внешних факторов в виде краевых условий, а внутренних — в виде мощностей объемных источ — няков загрязняющих веществ.

В качестве первого упрощения комплексной задачи гидрохимизма цротекающих процессов, считаем, что гидродинамика потока не зависит от его химической структуры.

В качестве второго приближения рассматривается только отдельный участок водного объекта, ограниченный: входящим створом русла водотока с известными скоростями и фоновыми концентрациями загрязняющего вещества; поверхностью дна с заданными характеристиками донных источников; свободной поверхностью водотока с характеристиками атмосферных загрязнений; конечным створом русла.

Рассматриваются только такие источники загрязнения водоемов, которые можно описать при помощи следующей физической модели:

Зеркало воды. На свободной поверхности заданы потоки воды и рассматриваемого ингредиента загрязняющего вещества интенсивностью Чта и Чм- Интенсивность потока загрязняющего вещества состоит из трех компонент, интенсивности сухого осаждения интенсивности мокрого осаждения с^ и интенсивности растворения через свободную поверхность (молекулярного газообмена) с^

<Ьа- <Ьс+ Чек + Чя-Берег. Береговые сбросы — организованные (трубы, каналы) и неорганизованные (поверхностный сток с берегов водосбора). Для описания таких сбросов применяют ос родненные характеристики их интенсивности. При этом, осреднение производится либо за определенный промежуток времени, например, за год, либо рассчитывается по методу предельных интенснвностей. Наиболее распространенными неорганизованными береговыми сбросами является площадной сток дождевых вод с прибрежной зоны. Здесь береговая линия является источником загрязнения водного объекта. Интенсивность этих стоков определяется по известным формулам.

С берегов вместе с дождевой водой в водные объекты попадают до 90% загрязняющих веществ — как вымываемые из атмосферы при выпадении осадков, так и смываемые с бассейна водосбора. С учетом этого, интенсивность загрязняющего вещества в стоковых водах соответствует:

ЪЬ = (ПЧ щ/Шсл) ЧуЬ -где цр — масса примеси, осевшей на единице длины эффективной прибрежной зоны в период между двумя дождевыми смывами; Шсд — масса дождевых стоков в русло реки с того же участка прибрежной зоны.

Для газообразных загрязняющих веществ, находящихся в атмосфере, интенсивность поступления мокрого осаждения (вымывания) на бассейн водосбора описывается:

ск\. ~ 5м ЧуО

где эм — концентрация загрязняющих веществ, вымываемых из атмосферы дождевыми потоками.

Методом описания этих источников является задание линейной мощности q сточных вод. В зависимости от решаемой задачи под ц принимаются соответствующие значения — экстремальные, либо средние.

Донная поверхность. Всю донную поверхность условно разделим на шесть физически различных участков, называемых донными источ — пиками.

I.Участок дна без массообмена с набегающим потоком:

Чуд = 0, <Ьд= 0.

2 Участок дна с полным поглощением загрязняющего вещества (например, осаждение крупнофракционных примесей):

5Д= 0.

3. Участок дна с диффузионным обменом между донными отложениями и спутным потоком:

<Ьд = 0, к (5 - 5д).

4.Участок дна с определенным воспроизводством загрязняющего вещества (например, в результате биохимических реакций):

Ч^а = 0. Чзд^

5-Родниковьш участок:

Чуд = Чред- 0.

б.Участок слияния двух водотоков:

Чуд — Чу пр> Чхд-' Чх пр-Последний из рассматриваемых участков дна позволяет моделировать как слияние двух водотоков путем введения фиктивной донной поверх — ности в сечении притока, так и поступление загрязняющих веществ вместе с подземными водами.

Атмосфера. Твердые частицы оседают на земную и водную поверхность путем сухого осаждения (тяжелые и легкие примеси), газообразные — мокрого осаждения вследствие захвата каплями дождя, а также диффузионным растворением через поверхность водных объектов. В результате действия этих процессов формируется поток выпадений примеси из атмосферы на поверхность земли и водных объектов.

Объемные источники. Внутри водного потока происходит ряд химике — биологических процессов, которые в общем случае описываются путем введения их коэффициента неконсервативности Кн. Это физиче — ское явление при использовании уравнения диффузии моделируется путем введения объемного источника загрязняющего вещества с интен — сивностью

Шп = (Кн— 1)Б.

Математическая модель. Общее уравнение мгновенного баланса а — го ингредиента для несжимаемой жидкости:

3 1 а X; 1 д Xi Ч д Xj

где XI — декартовы координаты {1=1—х, 1^2—у,¡=3—7.): í — время;

5е — концентрация а—го вещества;

V; — !—я компонента скорости потока жидкости;

— коэффициент диффузии а —го ингредиента в /—м направлении за счет градиента его концентрации в ; —м направлении;

IV — мощность объемных источников а —го ингредиента. Заданы краевые условия на границах — "Мд0, а , \ЛЛ\л/2 , ограничивающие рассматриваемый участок реки V (рис.2).

у

н>а

щ

Рис. 2. Расчетный участок водотока Считаем, что в начальном створе V/] нам известна фоновая концентра — ция, т.е.

Б"!*! = (У- А ,

где — известная функция распределения концентрации в створю ; у, г — направления по глубине и ширине потока соответственно. Донная поверхность \Удо в общем случае распадается на три части по виду граничных условий:

1.Часть дна, где ие происходит обмен ингредиента между донными отложениями и протекающим потоком. На этом участке, обозначаемом в дальнейшем \УД1 граничные условия принимают вид:

„о.

ап РЛ

где п — нормаль к рассматриваемой поверхности дна, направленная вглубь потока.

2.Участох дна, где происходит обмен между донными отложениями и набегающим потоком за счет диффузии:

3 5>а

Ид

д а

где Б„а — концентрация ингредиента в дойных отложениях;

кда — коэффициент обмена для данного вещества донного отло — жения.

З.Участок дна, где задан фактический поток вещества (Лд) из донных отложений:

а

Эп

рд

Возможно сочетание потоков загрязняющих веществ, обусловленных как молекулярной диффузией, так и заданным потоком. В этом случае граничные условия принимают вид:

^ =к"е"-г5) + Л-

Щ

В первом приближении учет вторичных загрязнений от донных отложений осуществляется введением дополнительных осредненных значений типа «фоновых» для водного объекта или расчетного участка.

На поверхности зеркала воды возможны два механизма обмена загрязняющими веществами между водной поверхностью и атмосферой: 1 .За счет диффузии; 2.3а счет сухого и мокрого осаждения.

В общем случае это граничное условие можно записать в виде:

Эп

= к«^-^) + Л*

->а)

(Ша

где каа — коэффициент обмена для данного вещества со свободной поверхностью.

Поток Л состоит из двух компонент:

• поток за счет сухого осаждения аэрозольных частиц;

• поток за счет мокрого осаждения (вымывания) в результате выпадения осадков.

•^а = ^а сух -^а мо -Мощность объемных источников а—го ингредиента из уравнения (1) обусловлена природными механизмами. Основными из них являются организованные выбросы, химизм и деструкция вещества, обусловленная причинами отличными от химических взаимодействий (биохимизм, радиоактивный распад и т.п.):

^ - + \АГШМ + ^ + ^ + УГпроч, , где АЛ^ви ~ компонента мощности виртуального источника; ^хим — компонента мощности химического источника;

— компонента мощности деструктивного вещества; АЛ^рад — компонента мощности радиоактивных источников; ^проч — компонента мощности прочих источников.

Деструктивные компоненты По определению коэффициент

неконсервативности вещества к"т в покоящемся потоке определяется из соотношения :

_ а К*'

S° = е

Следовательно, скорость изменения концентрации вещества, в зависимости от времени будет:

д S" _ , а ^.а

ИГ ' кк "

Откуда непосредственно следует, что мощность объемных источников, обусловленных неконсервативностьго вещества,

W*«* = (1 - ка нх) S° . Уравнение баланса веществ составлено с учетом загрязнений, поступающих от организованных и неорганизованных источников: Sn.cm.Qn.cm.'^' ^go.^ SK0 QM0 + Gco + Ggn + Se Oe+ Sqj, Qan = S„(Qe+ Qan + Qn.cm + 0«o). где 5 — концентрация загрязняющего вещества;

Q — объемный расход соответствующего потока с загрязнением. Слагаемые уравнения представляют собой массовые расходы: ^п.оп.Оаап — загрязнений поверхностного стока с бассейна водосбора; Gg o — вторичных загрязнений от донных отложений;

SM0 QM0 — мокрого осаждения примеси из атмосферного воздуха; Gco — сухого осаждения загрязнений из атмосферного воздуха;

Ggj, — диффузионного загрязнения через поверхность воды;

Se 0е — естественной фоновой концентрации вещества ; San Осш ~ вещества, поступающего от выпусков сточных вод; Sn — средняя концентрация вещества в створе достаточного

перемешивания.

В главе 3 описано влияние атмосферных загрязнений на качество воды водного объекта. Предварительное определение максимальных приземных и надводных концентраций загрязняющих веществ в атмосфере промышленно—селитебного региона от техногенных источников производится по утвержденной методике ОНД—86, а среднегодовых концентраций по соответствующей методике расчета среднегодовых концентраций (ГТО им. А.И.Воейкова).

Учтенная в этих методиках величина начального подъема струи выбросов в атмосферу определена только для скоростей истечения газов, сравнимых со скоростями сносящего потока (до 50 м/с). Однако известно, что на различных предприятиях, например, в газовой промышленности существует множество источников выбросов газа в атмосферу под давлением, т.е. при критических перепадах давления П, в выходном сечении:

П = Рм / Рн » 2 -5- 3 , где Роа — полное давление торможения на срезе источника; Рн — давление в окружающей среде.

Расчет параметров истечения таких источников по ОНД —86 дае: заведомо неправдоподобные результаты.

Для компенсации значительной разницы между скоростью стру! источника и сносящего потока атмосферного воздуха предложено заменить такой физический источник виртуальным, который расположен по оси струи на некотором удалении от среза трубы реального источнике и определить для него параметры истечения — геометрические и эмиссионные. В связи с тем, что для звуковых газовых струй, истекающих в сносящий дозвуковой воздушный поток расчетные методы практически отсутствуют, а экспериментальные данные ограничены, такой подход позволил адаптировать высокоскоростные источники к методике ОНД—86, расширив область ее применения.

В главе 4 представлена методика проведения расчета геометрии и параметров истечения виртуального источника (ВИ).

На рис. 3 показаны контуры искривленной водной струи в плоскости ее симметрии в плане русла. Диаметр реального источника — Оа, скорость истечения из него — иа, скорость сносящего потока — Ш. Схематично отображено положение виртуального источника и поле скоростей. Ось X — совпадает с течением сносящего потока. Ось У совпадает с шириной потока в направлении Z. Индексы: ад — сечение адаптации; п — для передней границы струи; з — для задней; ви — виртуальный источник.

г.м

Передняя граница

\

Виртуальный источник

о

I ш

(X о о х

X. и

Реальный источник

Рис.3. Схема модели струи в сносящем водном потоке

Расчет геометрии струи осуществляется по уравнениям Горднера, Марганзона, Абрамовича, Лаптева, Кременецкого.

В качестве примера приведем результат расчета струи в сносящем потоке (рис.4) по данной методике при следующих исходных данных: диаметр выпуска 0.2 м; скорость выпуска сточных вод 3 м/с; скорость реки (^5 м/с^ _ ______________________

График элементов струи выпуска сточных иод в сносящий поток

водотока !

-х - Ось ежмые* | струя |

I >

Осьсимметрия^;

| Струй (ПС 11

4 5 в 7 8 Рзсстоян»* вдоль русла, и

Рис.4. Результаты расчета траектории струи выпуска в сносящем потоке.

Результаты расчета диаметра виртуального источника и расстояния до него по оси струи сведены в таблицу.

Предложен — Варианты для сравнения:

ный метод

Вар. Показатель Формула по по по упрощен.

п =у — У "ви 1 П> 1 3- Лаптеву Кременецкому формуле

Абрамовича

1 Расст. до ВИ 1.14 5.90 — —

Диаметр ВИ 0.92 1.36 1.13 0.64

2 Расст. до ВИ 2.89 11.81 — —

Диаметр ВИ 1.96 2.72 2.79 1.57

3 Расст. до ВИ 4.65 17.71 — —

Диаметр ВИ 3.00 4.08 4.45 2.51

4 Расст. до ВИ 6.40 23.61 — —

Диаметр ВИ 4.04 5.44 6.11 3.44

5 Расст. до ВИ 8.16 29.52 — —

Диаметр ВИ 5.08 6.80 7.77 4.37

6 Расст. до ВИ 9.91 35.42 — —

Диаметр ВИ 6.12 8.16 9.43 5.31

Можно видеть, что результат предложенного метода не выходит за пределы результатов для сравниваемых вариантов по другим формулам, что говорит о его приемлемости для расчета геометрии струи (в первом приближении) для нестесненных условий истечения струи в сносящий поток.

Разработаны и приведены (рис. 5 а,б,в,г) схемы моделей различных источников к методу расчета разбавления.

Опарто&сг сечение росчепкы схемы

Вирпуальны испочни.'

Реальный истючник

Рис. 5 а. Схема модели организованного точечного источника

Экспрап оляц ионный ряд

Донные ото у гния Рис. 5 б. Схема модели донного источника загрязнения

Экспраполяционный ряд Береговой елок к/ N. Береговой спох

Рис. 5 в. Схема модели берегового источника

. Экспраполяционный ряд 1

Расчетная сета

Рис. 5 г. Схема модели атмосферного источника

В главе разработана методика расчета количества ЗВ, поступающих из атмосферы на поверхность водных объектов за счет сухого и мокрого (вымывания) осаждения и растворения газов через зеркало воды.

1.Сухое осаждение.

Исходные данные но г. Ростов —на—Дону , 1991 —92, (Приваленко В.В.)

Загрязнение атмосферы: Ед. изм. Обоз. М/д пыль Сажа

пдк мг/мЗ pdk 0.15 0.05

Средн. конц.ЗВ в мг/мЗ Б 0.4 0.12

атмосфере, (ср.

многолетнее значение)

Коэф. очистки, аэрозоля б/р Р 1 1

Коэф. скорости б/р КГ 0.7 0.5

осаждения,

Русло реки

Длина расчетного участка, м 1 1000 1000

Ширина расчетного м В 400 400

участка.

Площадь зеркала воды, м2 400000 400000

Расчет

1. Скорость осаждения м/с 0.0056 0.004

примеси,

\У<1=(0.008'КГ)

2. Уд.плотность потока мг/(м2*с) П1 0.00224 0.00048

осаждения,

3. Расч.плотность потока мг/с п 886 192

ЗВ,

П=П1Т2

Расчет годового потока:

1. Число часов работы в ч N 2000 2000

году

2. Расч.годовой поток т/год ГТгод 6.45 1.38

ЗВ,

3. Расч. суточный поток кг/км2 Псут 17.67 3.79

выпадений ЗВ, сут

Проверка для города.

Площадь города га м2 36 ООО 360'10б

Расчетный годовой поток т/год 5883.49 1260.75

Сравнивая данные мониторинга по Ростову н/Д за 1991г. и полученные по данной методике, имеем: сумма промышленных выбросов пыли и сажи по расчету составляет: 5883.49 + 1260.75 = 7144.24 т/год. По фактическим данным [12] сумма промышленных выбросов пыли и сажи составляет 6500 т/год. Погрешность составляет 9% в сторону экологического "запаса".

2.Мокрое осаждение.

Загрязнение атмосферы: Ед. изм, Обозн Пыль

ПАК мг/мЗ pdk 0.15

Ср, конц —я ЗВ в атмосф. мг/мЗ S 0.4

Осадки

Высота ннжн. гран, облака м Hz 300

Средняя интенсивность мм/ч I 1

Средняя продолж — сть

выпадения осадков, ч/год Td 200

150 - 250 С.Кав ETC 500 - 700)

Станд. вел. абс. вымывающей

способности дождя ч/м'с Кг 0.01

(Прш.для мелких аэрозолей и газов

Кг=10~5 ч/(мм'с) = 0.01 ч/м'с

Отн. вым. способность

дождя б/р Ко 0.3

Русло реки

Ддина расчетного участка, м L 1000

Ширина расчета, уч — ка м В 400

Площадь зеркала воды м2 Fz 400000

Рг=(1'В) га 40

Расчет

1. Постоянная вымывания, 1/с Lamb 0.003

2. Уд. плотность потока ЗВ, мг/м2с П1 0.36

3. Плотн. потока ЗВ расч. мг/с П 144000

4. Поток ЗВ за расч т/год Пгод 103.68

период,

5.С учетом степени т/год Пр 31.10

снижения во времени

Сажа S02 СО N02 Фенолы H2S Формальдегид

0.05 0.05 5 0.085 0.003 — 0.003

0,12 0.04 2.6 0.05 0.004 0.001 0.007

300 300 300 300 300 300 300

1 1 1 1 1 1 1

200 200 200 200 200 200 200

O.Ol 0.01 0.01 0,01 0.01 0.01 0.01

0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3

1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000

400 400 400 400 400 400 400

400000 400000 400000 400000 40Q000 400000 400000

40 40 40 40 40 40 40

0.003 0.003 0.003 0.003 0.003 0.003 0.003

0.108 0.036 2.34 0.045 0.0036 0.0009 0.0063

43200 14400 936000 18000 1440 360 2520

31.10 10.3? 673.92 12.96 1.04 0.26 1.81

9.33 3.11 202.18 3.89 0.31 0.08 0.54

3.Растворение газов через зеркало воды.

Исходные данные: _

Наименование Ед. Обозн. Б02 СО

изм.

пдк мг/мЗ рс1к 0.05 5

Реакция газа с водой 1 2

{1 — реагирирует, 2 —не реагирует)

Ср. концентрация ЗВ в атмосфере мг/мЗ Б 0.04 2.6

(средне многолетнее значение), г/мЗ 0.004

Скорость газового потока , (100 — 120) смЗ/с и 125

Константа обмена в газовой фазе м/с Кг 0.014

Кг = 0.01 * и + 0.159

Расчетное время процесса за год ч/год Тч 8760 8760

газоперехода в воду (для прогноза),

Коэффициент диффузии для газа не м2/с 0 2.2Е-09

вступающего в реакцию с водой (СО)

Русло реки

Ср. конц —ия ЗВ в водном объекте г/мЗ Св 0 0.002

Длина расч-го участка, м 1000 1000

Ширина расч—го участка, м В 400 400

Площадь зеркала воды м2 ¥г 400000 400000

Рх=(1'В) га 40 40

Расчет

1 .Уд поток переноса газа в воду, г/с*м2 П1 5.6Е-07 1.5Е-07

П1=Кг(Б/Ю00-Св)

2. Расч. поток газа на площадь воды, г/с П 0.225 0.059

П=-тТ2

3. Расчетный валовый поток газа т/год Пр 7.11 1.85

Мониторинговые наблюдения по мокрому осаждению и растворению газов из атмосферы не проводились ввиду отсутствия до настоящего времени методики их проведения.

В главе разработана модель сопряжения участков русел водотоков в сечении потока.

Постановка задачи — получить поле концентраций в начальном створе расчетного участка используя метод конечных разностей. Данная задача имеет следующие частные случаи: а} переход от одной расчетной сетки к другой; б) расширение (разделение) потока с формированием новой сетки; в) добавление концентраций в расчетные клетки.

Метод решения данной задачи построен с обязательным соблюдением условия равенства масс загрязняющего вещества в исходных сечениях и в новом формируемом. Расчетный случай перехода от одной расчетной сетки к другой с добавлением концентрации организованного источника выброса (рис. 6).

Рис.6. Модель перехода от одной расчетной сетки к другой с добавлением концентраций от организованного сброса

В точке потока с сосредоточенным сбросом "устанавливается" новая поперечная расчетная сетка. Это связано с необходимостью захвата загрязненной струи соответствующим числом расчетных клеток (рис. 6). Глубина и ширина потока на данном участке русла неизменны (если это не оговорено при формировании исходной информации).

На рис. 6 показаны возможные варианты попадания источника в клетки расчетной сетки. Новая расчетная клетка может полностью попасть в поле одной из исходных расчетных клеток, либо может захватить как минимум две исходные клетки и т.п. Используя аналогичный алгоритм, построим расчетную сетку для слияния/разветвления основного русла с притоками.

В главе 5 дается описание программной реализации на ПЭВМ и краткое описание программного комплекса "Water" —1.0 и "Water"—2.0. В основу метода расчета положен метод конечный разностей. Для решения задач данного типа разработаны и адаптированы специальные алгоритмы и программное обеспечение.

Разработаны модели графического представления выходной информации — построение полей концентраций рассматриваемого ингредиента в виде изолиний как в плане русла, так и в произвольном сечеиии (поперечном или продольном). Предусмотрено автоматическое сканирование на экране дисплея координат и величины концентрации произвольной точки русла.

Распространение загрязнений при организованном и неорганизованном сбросе

Характеристика водотока. Длина 500 м. Расход Q = 250 мЗ/с. Средняя скорость V = 2.44 м/с, ширина В = 16 м, глубина Н = 6.4 м. Отношение горизонтального масштаба к вертикальному 1:20. Количество источников загрязнения - 4.

Береговой сток:

1. Лавый берег- элементарный расход воды стока q1 ■ 0.005 м2/с, концентрация ЗВ 50 ПДК

2. Правый берег- элементарный расход воды стока q2 ■ 0.005 м2/с, концентрация ЗВ 50 ПДК

Русло реки ониз по течению, м

I 3. Организоааный источник ' выпусх загрязненных сточных вод

Q * 25.3 мЭ/с , концентрация ЗВ - 10 ПДК.

4. Сухое осаждение из сильно загрязненного воздуха. Скорость осаждения частиц » 0.00Э м/с. Концентрация ЗВ - Сс1 ■ 0.4 ПДК.

Рис.7 а. Результат расчета для сосредоточенного источника с береговыми сбросами

Распространение загрязнений при нескольких неорганизованных береговых стоках

Характеристики водотока. О = 250 м2/с, средняя скорость У= 2.44 м/с, ширина В = 16 м, глубина Н = 6.4 м, отношение горизонтального масштаба к вертикальному 1:20.

01 • 0.005 м2/с » 50 ПДК 02 • 0.004 м2/с 8в1 « 50 ПДК

¿пил I гигшц 1

О 200 400 600 800 10Й0 1200 1400 1600 1В00

тгтт т т т т ttтt

03-0.005 м2/с 351-50 ПДК 04-0.004 м2/с За1«50 ГЗДК О5-0.СЮЗ м2/с ЗзЬбО ПДК

Русло вниз по течению, м Рис.7 б. Результат расчета для источника с тремя береговыми сбросами

4.50 4.00 3.50 3.00 2.50 2.00 1.50 1.00 0.50 0.00

8

Структура программного комплекса предусматривает возможность расширения и модернизации, видения баз данных пользователем, ввод топонланов, вывод результатом в виде, не требующем дополнительных комментариев и пр. На рис. ? а, 6, в приведен результат расчета разбав — ления ингредиентов от различных факторов загрязнения.

Разработал удобный интерфейс д.\я широкого крута пользователей, позволяющий быстро освоить работу с программным комплексом. Разработан программный комплекс «Space» расчета загрязнения атмосферы на ПЭВМ с учетом источников с дозвуковым и звуковым истечением газа в атмосферу. Основные выводы и рекомендации

1.В диссертационной работе, автором решена (в первом приближении) задача расчета динамики разбавления в водотоках загрязнений, поступающих от организованных и неорганизованных источников.

2.Разработан комплекс программ, позволяющий оперативно и достоверно решать комплексные задачи загрязнения водных объектов. В основу расчета положен метод конечных разностей, который модифицирован для решения поставленной в диссертации задачи. Предложенная модификация метода А.В.Кзраушева позволила расширить возможности его применения для учета различных факторов загрязнения в развитии комплексного подхода при оценке качества поверхностных вод.

3.Предложено использовать понятие "виртуального источника" для адаптации реальных источников к расчетным моделям в случаях, когда скорость истечения сточных вод в водные объекты (или газовой смеси в атмосферу) значительно превышает скорость с путного потока. Разработаны методики и программы расчета на ПЭВМ параметров истечения виртуальных источников (геометрических и эмиссионных).

4.Обосновано вместо понятия створа начального разбавления при расчетах выпусков сточных вод понятие «виртуального источника» при сбросах сточных вод в сносящий поток.

5.Разработаны программы расчета загрязнения атмосферы вредными выбросами и оценки поступления загрязнений из атмосферного воздуха в водные объекты. При этом, разработана программа расчета струйных газовых выбросов для источников с критическими истечениями, что расширяет возможности применения ее для газовой (и др.) промышленности.

В перспективе, как логическое продолжение этой работы, необходимо развивать методы расчетов и программное обеспечение в направлении комплексного учета загрязняющих факторов поверхностных вод с увязкой территориально —экономических проблем в масштабах региональных и межгосударственных.

Список научных статей:

1. Субратов АА.( Куликов Н.И., Горбачев В.Ф. Экологическое состояние водных объектов и пути их улучшения. // Сб. трудов обл. семинара "Об экол. безоп. Белгородской обл." — Белгород, 1996.

2. Горбачев В.Ф.. Бутко A.B. Влияние ливневых вод на характер загрязнений водоемов. // Материалы второй международной научной студенческой конференции. — Ростов н/Д: РГЭА, 1996. — С. 97.

3. Горбачев В.Ф. Учет дополнительных факторов загрязнения водных объектов в методике А.В.Караушева. // Научные труды по защите окружающей среды и медицины. —Белгород, 1997. — С.1 —13.

4. Горбачев В.Ф., Субратов ИЛ. Оценка поступления загрязняющих веществ в водоемы из атмосферного воздуха. // Научные труды по защите окружающей среды и медицины. —Белгород, 1997. — С.14—21.

5. Горбачев В.Ф., Серпокрылов Н.С., Бутко A.B. Прогноз качества воды водных объектов для системы водотоков с учетом загрязнения от донных отложений, поверхностного стока и загрязнения атмосферы. // Межвузовский сборник научных трудов. "Очистка природных и сточных вод -Ростов н/Д: РГСУ. 1997.- С. 117-123.

6. Горбачев В.Ф., Бутко A.B. Автоматизированное прогнозирование качества воды водотоков с учетом их загрязнения. // Тезисы докладов международной научно—практической конференции. — Ростов н/Д, 1997. - С. 32- 33.

ЛР 020818 от 20.09.93. Подписано в печать 26.05.97. Формат 60x84 1/16. Бумага писчая. Ризограф. Уч.-изд. л. 1,3. Тираж 100 экз. С 172.

Ред акционно—изд ательский центр Ростовского государственного строительного университета 344022, Ростов н/Д, ул. Социалистическая, 162