автореферат диссертации по строительству, 05.23.04, диссертация на тему:Исследование функционирования и подбор оптимальной конструкции рассеивающего выпуска сточных вод в условиях водоема и водотока

На правах рукописи

ФЕДОРОВ Святослав Викторович

ИССЛЕДОВАНИЕ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ И ПОДБОР ОПТИМАЛЬНОЙ КОНСТРУКЦИИ РАССЕИВАЮЩЕГО ВЫПУСКА СТОЧНЫХ ВОД В УСЛОВИЯХ ВОДОЕМА И ВОДОТОКА

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

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

г 6 СЕН 2013

Санкт-Петербург 2013

005533685

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет» на кафедре водопользования и экологии

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Лапшев Николай Николаевич

Официальные оппоненты: Ильин Юрий Александрович,

доктор технических наук, профессор, ФГКВОУ ВПО «Военный институт (инженерно-технический) военной академии тыла и транспорта имени генерала армии A.B. Хрулева», профессор кафедры жизнеобеспечения объектов военной инфраструктуры;

Гиргидов Артур Давидович,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет», профессор кафедры гидравлики

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Петербургский

государственный университет путей сообщения»

Защита диссертации состоится 14 октября 2013 г. в 14:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.223.06 при ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет» по адресу: 190005, г. Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., д. 4, зал заседаний диссертационного совета (аудитория 219).

Телефакс: (812) 316-58-72

Email: rector@spbgasu.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет».

Автореферат разослан 11 сентября 2013 г.

CA **" Пухкал Виктор Алексеевич

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент

I. Общая характеристика работы

Аюуальность темы исследования. Вопросы экологической безопасности имеют огромное значение в крупных городах и промышленных центрах. Особенно это касается водных объектов, являющихся ценным ресурсом, использующимся почти во всех отраслях народного хозяйства. За счет хозяйственной деятельности влияние человека на качество водных ресурсов в XXI веке приняло глобальный характер. С помощью огромного числа инженерных сетей и каналов по всей планете в технологический оборот запускается большая часть естественного стока воды. Цикл водопользования при производстве товаров и услуг определяет санитарное состояние водоемов. Необходимо отметить, что в данной цепочке важнейшую роль играет потенциал самоочищения водного объекта, который зависит от условий сброса сточных вод и процесса массообмена.

Сточные воды после предварительной очистки поступают в водоем, где в дальнейшем протекают процессы разбавления и самоочищения. Одной из причин ухудшения качества воды может быть увеличение нагрузки на водный объект или снижение эффективности функционирования выпусков. Свести негативное воздействие к минимуму может позволить своевременный анализ всех возможных вариантов сброса стоков и составление плана охраны вод на базе использования математического моделирования и оптимизации водоохранных мероприятий.

Специфика разработки программ водоохраны, сочетающихся с прогнозом качества воды, выдвигает определенные требования к моделям формирования качества воды. Спектр процессов, протекающих в водной среде, достаточно сложен, поэтому выбор модели должен определяться характером вопроса, требующего решения. На сегодняшний день разработан большой комплекс математических моделей, позволяющих имитировать и исследовать различные процессы в водном объекте.

Степень разработанности темы исследования. Основные (базовые) методы прогнозирования качества воды отражены в работах A.B. Фролова -И. Д. Родзиплера, A.B. Караушева, H.H. Лапшева, А. Д. Гиргидова, Р.В. Озмидова, A.M. Айтсама, A.M. Руффеля, Ю.А. Ибад-Заде, Л.Л. Пааля, Ю.Б. Безобразова и др. Из современных работ можно выделить результаты, полученные М. Сауди, Б.В. Архиповым, С.Г. Орадовским, С.Г. Сидиропуло, L. Teichmann. Указанными авторами решалась задача по получению общей кратности разбавления или распространения примеси в водоемах (озерах и морях) и водотоках в рамках и-мер-ной, стационарной и нестационарной задачи. Для этого применялись приближенный аналитический подход или численные методы решения. В большинстве методов рассматривается сосредоточенный сброс примеси. Случай рассеивающего выпуска рассматривается в работах H.H. Лапшева и А.Д. Гиргидова. При этом только у Лапшева расчеты начального и основного разбавления взаимоувязаны. Также в современных работах большое внимание уделяется моделированию конкретных водных объектов, где акцент исследования ставится на гидрологический режим и его влияние в распространении, и трансформации поступающих со сточными водами загрязнений.

Проведенный обзор методов отражает недостаточную изученность влияния конструкции рассеивающего выпуска на процесс основного разбавления сточных вод. В качестве рабочей гипотезы выдвигается получение эффекта основного разбавления сточных вод вследствие изменения конструктивных параметров рассеивающего выпуска.

Цель и задачи исследования.

Цель исследования — изучение системы взаимодействия «рассеивающий выпуск сточных вод — водоем (водоток)» с разработкой конструкций выпусков, обеспечивающих повышение эффективности основного разбавления.

Объектом исследования является процесс основного разбавления очищенных сточных вод.

Задачи исследования:

1. Усовершенствовать модели, описывающие распространение примеси в условиях водоема (водотока) с течением времени и учитывающие функционирование рассеивающего выпуска.

2. Разработать алгоритмы и программное обеспечение для исследования зависимости эффективности разбавления сточных вод от различных видов конструкции рассеивающего выпуска и направления диктующего течения в водном объекте.

3. Провести модельные расчеты для исследования факторов, определяющих эффективность начального и основного разбавления сточных вод при функционировании рассеивающего выпуска.

4. Разработать методику подбора экономически оптимальной конструкции выпуска с учетом степени очистки сточных вод.

Методологической основой диссертационного исследования послужил анализ литературных источников по прогнозированию качества воды, основные положения нормативной документации по правовому регулированию расчета и контроля сброса сточных вод, метод математического моделирования процесса турбулентной диффузии примесей с использованием программного пакета аналитических вычислений «Maple», методы построения алгоритмов и программирования на ЭВМ, оценка влияния конструкции выпуска на основное разбавление, метод расчета приведенных затрат с учетом эффективности функционирования выпуска.

Научная новизна исследования заключается в следующем:

1. На основе аналитического решения уравнения турбулентной диффузии усовершенствованы математические модели распространения сточных вод в водоеме и водотоке в условиях нестационарной задачи. Модель проверена на данных натурных наблюдений и экспериментов;

2. Разработан алгоритм и программное обеспечение для инженеров «DISPERSION DISCHARGE IN A SEA», которое позволяет оперативно производить расчет качества воды. Результатами расчета программы выступает поле концентрации примеси в водоеме, образующееся с течением времени, а также функции распределения концентрации в продольном и поперечном направлении.

3. Исследование факторов, определяющих эффективность разбавления сточных вод от рассеивающего выпуска. На основании выполненных модельных расчетов были получены следующие результаты:

- Обобщены исследования в области начального разбавления сточных вод.

- Для условий водоема доказана интенсификация процесса основного разбавления при увеличении расстояния между оголовками на распределительном трубопроводе выпуска. Для водотока показано отсутствие влияния модификации рассеивающего выпуска на основное разбавление.

- Оптимальным условием работы выпуска является перпендикулярность направления диктующего течения по отношению к распределительному трубопроводу. Рассмотрены модификации распределительного трубопровода и показана эффективность К-образной конструкции.

- С целью улучшения условий разбавления для действующих выпусков в реке предложен режим отключения отдельных оголовков.

4. Разработана методика определения оптимальной конструкции выпуска с учетом затрат на очистку сточных вод и стоимости выпуска.

Практическая значимость и реализация результатов исследований состоит в том, что полученные в работе результаты и рекомендации могут быть использованы в инженерной практике при эксплуатировании и проектировании выпусков на станциях очистки сточных вод, аварийных сбросах канализационных насосных станций и т.д. Разработанное программное обеспечение может использоваться в проектных организациях, в дальнейшем исследовании турбулентной диффузии примесей и в учебном процессе ФГБОУ ВПО «СПбГАСУ» по дисциплине «Прогнозирование качества воды». Результаты работы представлены в отчетах о выполнении научных проектов по конкурсу грантов 2010, 2011 годов для студентов, аспирантов ВУЗов и академических институтов, расположенных на территории Санкт-Петербурга. Часть научных исследований выполнялась с участием студентов по фанту СПбГАСУ и представлены в отчете №18С/11 (Номер государственной регистрации: 01201180345). Результаты работы использованы в проектной документации для обоснования конструкции выпуска (шифр: 34.060/12 ООО «ПСБ КОНСТРУКТОР»), При разработке новой конструкции рассеивающего выпуска взамен существующей конструкции, получен экономический эффект в снижении затрат по объектам воспроизводства рыб на 582 224 руб. (в ценах 2012 г.).

Достоверность научной гипотезы, выводов и рекомендаций обеспечивается современными средствами научных исследований, использованием фундаментальных положений турбулентной диффузии, применением современных компьютерных программ, хорошей сходимостью результатов аналитических расчетов тестовых задач с результатами, полученными другими авторами в натурных и лабораторных экспериментах, а также качественным согласованием с данными функционирования действующих рассеивающих выпусков очистных станций Санкт-Петербурга.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на научных конференциях профессоров, преподавателей, научных работников, инженеров и аспи-

рантов университета, СПбГАСУ (3-5 февраля 2010 г., 2-4 февраля 2011 г.), Международной научно-практической конференции «Современные проблемы водоснабжения и водоотведения. Вода-2011» (г. Одесса, ОГАСА, 8-10 сентября 2011 г.), XIV Международной межвузовской научно-практической конференции «Строительство — формирование среды жизнедеятельности» (27—29 апреля 2011 г., МГСУ), IWA 4th Восточно-Европейской конференции «Опыт и молодость в решении водных проблем» (Санкт-Петербург, Англетер, 4—6 октября 2012 г.), Международный конгресс посвященный 180-летию СПбГАСУ «Наука и инновации в современном строительстве - 2012» (10-12 октября 2012 г).

Научные работы по разработке модели и проведению исследований функционирования рассеивающего выпуска подавались на соискание грантов аспирантов вузов, отраслевых и академических институтов, расположенных на территории Санкт-Петербурга и удостаивались Премии Правительства Санкт-Петербурга в 2010 и 2011 гг. (диплом: ПСП №10691, ПСП № 11606).

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 12 печатных работах, общим объемом 7,95 п. л., лично автором - 5,85 п. л., в том числе 4 работы опубликованы в изданиях, входящих в перечень ведущих рецензируемых научных журналов, утвержденный ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, списка используемых обозначений и сокращений, шести глав с выводами по каждой из них, заключения. Диссертация содержит 221 страницу машинописного текста, 27 таблиц, 62 рисунка, 94 формулы, 9 приложений и список использованной литературы из 121 наименования работ.

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы. Определены цель и задачи работы, указана методологическая основа исследования и научная новизна.

В первой главе проведен анализ основных нормативных актов РФ, определяющих качество воды при различных видах водопользования. Рассмотрены основные методы прогнозирования качества воды. Выполнена оценка недостатков расчета в существующих работах.

Во второй главе представлена математическая модель турбулентной диффузии сточных вод при функционировании рассеивающего выпуска в условиях водоема и водотока. Математическая модель основана на аналитическом решении уравнения турбулентной диффузии. В математическом пакете «Maple» производятся первичные расчеты, и выполняется оценка достоверности получаемых функций распределения концентрации.

В третей главе проводится верификация разработанных математических моделей. Для условий водоема используются данные ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга» о функционировании действующих выпусков на Центральной станции аэрации (ЦСА) и Северной станции аэрации (ССА), а также результаты экспериментальных исследований Е.Ф. Кононова, Ю.К. Чернуса, В.В. Морокова. Для случая водотока использовались результаты натурных экспериментов В.П. Рогуновича, Л.П. Гореловой, П.М. Ровински, Ю.А. Ибад-Заде, Л.И. Руги.

В четвертой главе рассмотрена реализация расчета разработанных зависимостей в виде инженерной программы «DISPERSION DISCHARGE INA SEA» («Рассеивающий выпуск сточных вод в море»), показан интерфейс программы, основные принципы и алгоритмы расчета. Рассмотрены основные области применения программы.

В пятой главе представлены результаты модельных расчетов, отражающие влияние конструкции рассеивающего выпуска на эффективность начального и основного разбавления. По начальному разбавлению проанализировано влияние высоты оголовкаyt, угла поворота оголовка относительно дна ф0, количества оголовков М, скоростного параметра т. Построены номограммы.

Для основного разбавления в водоеме (море, озере) рассмотрено влияние положения оголовков, угла поворота диктующего течения и формы распределительного трубопровода. В реке исследовалась зависимость кратности разбавления от количества оголовков М, ширины реки В, расстояния между оголовками. Также для условий водотока проанализирована работа выпуска в режимах отключения отдельных оголовков.

В шестой главе представлены основные этапы подбора экономически оптимальной конструкции выпуска на примерах морского водоема и реки.

II. Основные положения и результаты исследований диссертации, выносимые на защиту

1. На основе аналитического решения уравнения турбулентной диффузии усовершенствованы математические модели распространения сточных вод в водоеме и водотоке в условиях нестационарной задачи

Распространение примеси в потоке под влиянием турбулентного перемешивания описывается уравнением турбулентной диффузии:

дС „ ВС „ дС Jr ÔC п д2С д2С д2С

dt дх у ду dz дх2 ду2 dz2 ' ^ '

гдеX,у, z — координаты; F, F, F - компоненты скорости течения; Dx, D,Dz-коэффициенты турбулентной диффузии; С - концентрация консервативного вещества; t — время; k¡ - коэффициент неконсервативности.

Главной задачей является приведение уравнения (1) к более простому виду, имеющему готовое решение, путем введения переменных С, и С2. Переменная С, позволяет исключить слагаемое А,-С. Переменная С2 учитывает конвективные члены уравнения. Коэффициент Dx выносится за скобку, а полученные соотношения DJDx и DJDx принимаются в качестве масштабных коэффициентовр ир для новых осей у и z'. В результате получаем:

dt

(д2с2 д2с2 а2сО

--+-JT- +-L

дх2 ду'2 dz'2

Математическая модель рассеивающего выпуска для условий водоема Для условий водоема принимаются следующие допущения:

1. Сброс сточных вод имеет постоянный режим, который характеризуется постоянством расхода q и максимальной концентрации См в начальном пятне:

q = const; См = const. (3)

2. Движение диктующего течения в водоеме принимается установившимся и плавно изменяющимся. Так как в работе рассматривается участок от точки сброса до контрольного створа (500м), то можно пренебречь поперечными составляющими скорости:

Vx-V - const; Vy = 0;VZ = 0. (4)

3. Процесс диффузии идет намного медленнее в вертикальном направлении, чем в горизонтальном, за счет вертикальной плотностной стратификации:

Dz = 0. (5)

4. Основное разбавление начинается от створа, где струя теряет свою индивидуальность и образуется начальное пятно примеси, распределение концентрации в котором описывается функцией:

С|,=0=Ф(СЛ1), (6)

где £ - переменная, описывающая распределение концентрации в продольном направлении, а т\ - в поперечном.

5) В плане водоемы могут быть приняты безграничными по сравнению с размерами выпуска. Это позволяет предположить, что на бесконечности будет наблюдаться фоновая концентрация примеси Сф:

С = ^Ф. (7)

у-+ 00

Применяя принятые допущения и используя общее решение уравнения (2) в виде интеграла Фурье, получаем:

1—е~к1'+ 77ф(с,п> 4zv d^, (8)

\nt J ■>

с=■

ADjnt

—oo—Q0

где функция <p(£, т|) может быть представлена в виде равномерного, показательного и линейного распределения концентрации.

Для качественной оценки зависимости (8) с помощью программы «Maple» производится расчет концентрации. По результатам расчета построен график (рис. 1), на котором с течением времени отражается последовательное волновое снижение концентрации за счет процесса смешения. Аналогичные закономерности получены ранее другими авторами в работах по изучению коэффициентов продольной и поперечной дисперсии.

В случае рассеивающего выпуска функция <р(£, л) описывает совокупность начальных пятен, образующихся в зоне сброса. При работе выпуска образуется М пятен шириной 2Вп и длиной 2Ln. Между границами соседних пятен расстояние 2Ь. Для примера представлен результат расчета при М= 5 в виде графика (рис. 2).

X, м у, м

Рис. 1. Графики концентрации консервативного вещества для сосредоточенного выпуска в момент времени I = 100, 300, 500 с

На графике отмечается наличие всплесков концентрации, соответствующих заданному числу оголовков в выпуске. С течением времени происходит постепенное выравнивание концентрации в каждом пятне и объединение их в единое «облако», которое в дальнейшем полностью растворяется. В центральном пятне отмечается максимальная концентрация, а на крайних пятнах концентрация уменьшается за счет влияния боковых течений в водоеме. Полученные функции соответствуют закономерностям процесса разбавления стоков в природных водоемах.

Рис. 2. Графики концентрации консервативного вещества для рассеивающего выпуска в момент времени г = 10, 35, 300 с

Математическая модель рассеивающего выпуска для условий водотока Для условий водотока принимаются следующие допущения:

1. Водоток представляется в виде канала пря-

створ полного моугольного сечения В*Н ' растворения и Длиной Л (рис. 3).

2. Допущение, касаю-

Z

начальный створ

У....... 'у Л * * А

fV'tv у

в/Щ/ / Y /

1 А X

Н

Рис. 3. Схема расчетной области реки

щееся скорости движения речного потока, принимается аналогично случаю водоема (4).

3. Начальным условием при решении уравнения (2) является распределение

концентрации в начальном створе водотока в момент времени < = 0:

С2\1=0=С2(х,у,г). (9)

4. Граничными условиями выступает дно, поверхность воды и берега, которые являются непроницаемыми для вещества и определяются:

дС21 . 8 С2 | _

5. Условие, определяющее створ на реке, в котором наступает полное разбавление поступившего вещества, записывается следующим образом:

С2\х.л= 0- (")

Применяя принятые допущения и используя метод Фурье получаем решение уравнения (1) для условий водотока:

2D,

оо оо со

III-

Р^о^о APyBPzH

А (Рув)(р2Н)

Г Г \ /Я ип ... xj J у, zjcos yjxcos——у cos-—zaxaydzx

xe

pzH

4A2 pyB2 pzH2

in wn un

cos —— x cos-у cos-z

2 A PyB pzH

(12)

где C(- функция начального распределения концентрации вещества.

Для адаптации математической модели (12) к реальным условиям разбавления были проведены расчеты в программе «Maple»(рис. 4,5). На рисунках показан случай рассеивающего выпуска в водотоке при М- 3. Здесь наблюдается три пика концентрации, в соответствии с количеством оголовков. Далее происходит слияние отдельных «облаков» в единое, которое постепенно распространяется по

всему сечению русла. На границах расчетной области концентрация соответствует условию (10). Смещение выпуска к оси2 приводит к асимметрии значения концентрации на разных границах расчетной области, что обусловлено допущением (4). Следует отметить, что такой же характер распределения концентрации наблюдался А.И. Шишкиным и В.В. Мороковым в натурных и модельных экспериментах.

Изменение коэффициентов дисперсии влияет на распределение концентрации. При снижении поперечных коэффициентов и Бг происходит спад интенсивности разбавления, стадия индивидуального распространения облаков до момента слияния становится продолжительнее (рис. 5).

\ / \t = 2 с

-...........1 Ah Д--/- 10-с—

t " г= = 100 50О

i 1 -i---

0

8

10

Рис. 4. Графики концентрации консервативного вещества при коэффициенте Dy = Dz = 0,183 м2/с

у, и

Рис. 5. Графики концентрации консервативного вещества при коэффициенте = £>г = 0,018 м2/с

Так, например, уменьшая D и Dz в 10 раз, время индивидуального распространения возрастает с 2 до 100 с (рис. 5). Сравнивая графики, также можно отметить, что при меньшем коэффициенте диффузии выравнивание концентрации в сечении русла замедляется.

Для верификации разработанных моделей в условиях водоема использовались данные ГУП «Водоканал СПб» по выпуску на Центральной станции аэрации (ЦСА) и Северной станции аэрации (ССА), а также результаты исследований Е.Ф. Кононова, Ю.К. Чернуса, В.В. Морокова.

Сброс сточных вод ЦСА осуществляется в корабельный фарватер Большой Невы. Выпуск состоит из 5-ти трубопроводов диаметром 1400 мм (рис. 6). Каждая нитка имеет по 8 оголовков с диаметром выпускающей части 400 мм, располагающихся через 4 м. В районе сброса средняя глубина Н= 4 м, средняя скорость течения V = 0,15 м/с в период наблюдения, продольный коэффициент диф|узии Dx = 0,5 м2/с. Для расчета выбирается ряд показателей качества воды (взвешенные вещества, БПК5, ХПК, No6m, Fe, Mri) и производится сравнение натурных и модельных данных.

корабельный фарватер N

иб

выпуск т. 5а

Рис. 6. Схема выпуска ЦСА

Натурные измерения проводились в контрольном створе на расстоянии 500 м.

Концентрация загрязнений в ОЧИщенных сгснньк водэс С0 по данным «Водоканал СПб» приводится в табл. 1, где также произведен пересчет их значения с учетом начального разбавления См. Мониторинг концентрации основных показателей осуществлялся службой Водоканала в точках 5а и 56, которые располагаются на расстоянии 500 м от выпуска выше и ниже по течению (рис. 6).

Натурные данные и результаты модельного расчета приводятся в табл. 2. При анализе сравнивалось значение измеренной концентрации в водном объекте и смоделированной на ЭВМ, которые показаны в столбцах 4 и 5. При этом по каждому расчету определялась величина абсолютной и относительной

погрешностей, указанных в столбцах 6 и 7. Отрицательный знак погрешности указывает на превышение натурных данных над модельными. На основании статистического анализа из набора результатов в табл. 2 выбрасываются выявленные «грубые ошибки», представляющие сильно заниженные результаты.

Таблица 1

Показ ате ль Концентрация сточных вод

Дата Со, мг/л С„, мг/л Дата Со, мг/л С„_ мг/л

Взв. в-ва 05.2010 7,2 1,3 09.2010 7,1 1,3

06.2010 4,8 0,9 10.2010 9,0 1,6

07.2010 6,0 1,1 11.2010 3,3 0,6

08.2010 4,9 0,9 - - -

бпк5 05.2010 3,0 0,55 09.2010 2,8 0,5

06.2010 2,5 0,45 10.2010 1,5 0,3

07.2010 2,3 0,4 11.2010 4,2 0,8

08.2010 2,3 0,4 - - -

хпк 05.2010 31,0 5,6 09.2010 31,0 5,6

06.2010 29,0 5,3 10.2010 37,0 6,7

07.2010 31,0 5,6 11.2010 29,0 5,3

08.2010 26,0 4,7 - - -

(общий азот) 05.2010 10,5 1,9 09.2010 9,7 1,8

06.2010 9,1 1,65 10.2010 11,2 2,0

07.2010 8,2 1,5 11.2010 9,6 1,7

08.2010 8,6 1,6 - - -

Таблица 2

Сравнение экспериментальных и модельных результатов_

Показатель Дата Qa, С$е, мг/л 5*,%

мг/л Натурные данные Модельный расчет д

1 2 3 4 5 6 7

05.2010 <5 <5 5,30 0,3 6,0

06.2010 <5 9 5,21 -3,79 -42,1

Взв. в-ва 07.2010 <5 6 5,26 -0,74 -12,3

08.2010 <5 5 5,21 0,21 4,2

09.2010 <5 8 5,30 -2,7 -33,8

10.2010 <5 <5 5,38 0,38 7,6

11.2010 5 5 5,14 0,14 2,8

05.2010 - 2,3 - - -

06.2010 1Д 1,2 1,21 0,01 0,8

бпк5 07.2010 2,2 2,3 2,29 -0,01 -0,4

08.2010 2,1 2,2 2,19 -0,01 -0,5

09.2010 2,1 2,0 2,22 0,22 11,0

10.2010 1,9 1,8 1,97 0,17 9,4

11.2010 1,8 2,1 1,99 -0,11 -5,2

05.2010 21,1 21,4 22,41 1,01 4,7

06.2010 22,7 18,0 23,94 5,94 33,0

ХПК 07.2010 21,4 19,9 22,71 2,81 14,1

08.2010 18,6 21,0 19,70 -1,3 -6,2

09.2010 17,1 15,1 18,41 3,31 21,9

10.2010 16,1 15,6 17,67 2,07 13,3

11.2010 17,7 18,7 18,94 0,24 1,3

05.2010 0,44 0,45 0,88 0,43 95,6

06.2010 0,50 0,56 0,89 0,33 58,9

■^общ 07.2010 0,55 0,48 0,90 0,42 87,5

08.2010 0,54 0,48 0,92 0,44 91,7

09.2010 0,53 0,54 0,95 0,41 75,9

10.2010 0,40 0,46 0,87 0,41 89,1

11.2010 0,57 0,72 0,97 0,25 34,7

По ЦСА в 92,3 % расчетов получено превышение смоделированного значения концентрации параметра над зафиксированной в водоеме, что свидетельствует о наличии санитарного запаса.

Большинство ошибок приходится на содержание взвеси в летне-осеннее время года. Оценивая динамику натурных измерений по взвешенным веществам можно заключить, что данные, значительно превышающие модельные результаты не попадают под систематику остальных измерений и могут быть следствием гидрологического режима, результатом ошибок при натурном измерении, а также результатом нестационарного сброса.

По ССА количество результатов, в которых присутствует санитарный запас, составляет 84 %. Результаты модельных экспериментов по данным Е.Ф. Кононо-

вой, Ю.К. Чернуса, В.В. Морокова также подтвердили соответствие расчетов натурным измерениям и наличие санитарного запаса.

Для верификации зависимости (13) применялись результаты натурных экспериментов В.П. Рогуновича в оросительном канале, Л.П. Гореловой в реке Клязьме, П.М. Ровински в реке Нарев, Ю.А. Ибад-Заде в реке Куре, Л.И. Руги в гидравлическом лотке. Результаты моделирования показали хорошую сходимость расчетных результатов с натурными данными.

2. Разработан алгоритм и программное обеспечение для инженеров «DISPERSION DISCHARGE IN Л SEA»

С целью обеспечения удобства и быстроты прогноза качества воды предлагается использовать программу «DISPERSION DISCHARGE IN A SEA» («Рассеивающий выпуск сточных вод в море»), разработанную автором при участии инженера-математика А.А. Семенова. Программа имеет свидетельство о государственной регистрации № 2012610388 от 10 января 2012 года

Главной функцией программы является расчет кратности общего разбавления сточных вод и получение поля концентрации в процессе основного разбавления для различных конструкций рассеивающего выпуска.

Расчет начинается с введения исходных данных. На основном интерфейсе (рис. 7) задаются параметры водоема, размеры начальных пятен, определяется число оголовков, модификация распределительного трубопровода и параметры расчета, которые устанавливают расчетную область, и продолжительность распространения примеси в водоеме. После введения всех характеристик производится расчет. Результат (рис. 8) выводится на вкладке «Графики концентраций».

Расчетная область выделена координатной сеткой. Для работы с полем концентрации курсор наводится на интересующую точку пятна. При этом рядом с курсором появляется окно с координатами и значением концентрации.

Ь о

Н 4

V 0.15 D± оГ

а °......

Dr 0,05

Lm 5 Xjb 5

Рис. 7. Интерфейс программы 14

Рассеивдгащий &

. .._■•

1мёнвв1 (¿зевав

тШ

С = 0,00717 ¡;'1М

К 13-100 И 0.1-1 .

Ся]вх = 0.<Й71? ■ £ - 1С 0 0.01-01 Точлс па V 150 й Не машлабиромт»

Имчшрмроеание 20 Точка нерасче-га С.1 При X = 400 Погрешности. % 1 Кол-ео «гелкьий 5Й При V = 20

1..

и -Ля».«

Рис. 8. Поле концентрации

3. Исследование факторов, определяющих эффективность разбавления сточных вод от рассеивающего выпуска.

На рис. 9 показаны основные конструктивные параметры: количество оголовков (А/), диаметр отверстия с/(), угол поворота конфузора (ф0), высота подъема оголовка (уд), глубина водного объекта Я, расстояние между оголовками (/в).

£

1

1

Рис. 9. Конструкция рассеивающего выпуска сточных вод На основании обобщения существующих результатов, произведена оценка эффективности начального разбавления для рассеивающего выпуска. На рис. 10 приводятся примеры функций зависимости кратности разбавления пи от количества оголовков М, глубины водного объекта Я или параметра т. Параметр т является отношением скорости потока в водном объекте к скорости истечения.

В водоеме кратность разбавления ин увеличивается при возрастании глубины Я и увеличения числа оголовков А/(рис. 10, а), минимальной высоте оголовков над дном у (рис. 10, б), минимальном угле поворота конфузора относительно

дна ф0 (рис. 10, в). В реке увеличение пи происходит в случае уменьшения параметра т и увеличения числа оголовков М(рис. 10, г).

а) б)

5 10 15 20 25 30 35 40 0 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 Я, м т

Рис. 10. Графики начального разбавления для водоема и водотока

Далее в работе рассматривается процесс основного разбавления. Основным фактором, определяющим кратность основного разбавления по, является количество оголовков М и расстояние между краями начальных пятен Ъ. Используя зависимость (8) для условий водоема (озеро, море) построены графики изменения концентрации по мере увеличения Ми Ъ для различных створов (рис. 11). Полученные значения концентрации приводились к относительной величине С/С .

На рис. 11 наблюдается интенсификация процесса основного разбавления на 25-50 % за счет увеличения расстояния между оголовками Ъ - Ь10 м для створов х = 10, 50, 100, 500 м. Данная закономерность объясняется увеличением влияния боковых течений на каждое начальное пятно. Негативным условием, ограничивающим возможность увеличения рассеивающей части выпуска, являет-

ся возрастание стоимости строительства. Поэтому при подборе выпуска необходимо руководствоваться соответствием необходимого эффекта разбавления минимальной величине затрат.

а) 1__1 б)

0.0140.030

6=1 м

0.025

С/См 0.020

0.015 0.010

; ! - I -1

. 6-2 м

л-,- 1 1 .....I ........... ;________ ..... .......6=5. М.....-

6=10м

в)

0.009 0.007

С/Си

0.005 0.003 0.001

С/СМ°-010

0 10 20 30 40 50

N

0 10 20 30 40 50

N

г)

6=2

6=5

6=10м

0.004

0.003 С/ См 0.002

0.001

0 10 20 30 40 50 N

Ъ= 1 м

¿г

/ 6>=2 м

/"Т 1

1 1 6р5м

¿>1=10 м

1 1 ( ! -.1,1.,

Рис. 11. Графики основного разбавления в водоеме а)л = Юм; б)х = 50м; в)х= 100м; г)дг = 500м

0 10 20 30 40 50

N

Для расчета разбавления в реке использовалась зависимость (12). На рис. 12, а показан пример функций, отражающих снижение разбавляющей способности в реке шириной 50 метров по мере увеличения числа оголовков. С возрастанием числа оголовков происходит снижение эффективности разбавления, вызванное возрастанием нагрузки и области сброса сточных вод.

Аналогичные графики построены при изменении ширины реки и постоянной конструкции выпуска (рис. 12, б). В створах, близких к области сброса наблюдается отсутствие влияния стенок русла для различных конструкций. Далее по мере расширения струи и приближения потока к контрольному створу в 500 м проявляется влияние стенок русла. Распространение примеси по сечению реки

уменьшает доступ чистой воде к загрязненной струе, что в первую очередь снижает кратность разбавления в реке с меньшей шириной.

Следующий расчет характеризует влияние конструкции выпуска на эффективность разбавления стоков в зависимости от расположения оголовков. Для сравнения выбран вариант функционирования выпуска из 5 оголовков для водотока шириной 50 м (рис. 12, в) и 500 м (рис. 12, г) при изменении относительного расстояния ЫВп от 0 до 10.

-2 -----10 -2 -----10

Рис. 12. Графики основного разбавления в реке

Далее в условиях водоема рассматривается влияние на эффективность основного разбавления поворота диктующего течения относительно распределительного трубопровода выпуска. Расчет поля концентрации выполнен для створа 500 м при увеличении числа выпускающих оголовков и повороте течения от 0° до 90°. По результатам исследования получено, что увеличение угла поворота приводит к снижению эффективности разбавления (табл. 3).

Таблица 3

Концентрация консервативного вещества в створе 500 м при повороте рассеивающего выпуска

Число оголовков Угол поворота распределительного трубоп ровода Снижение эффективности разбавления в % от 0° до 90°

А !

Г

0° 20° 40° 60° 80° 90°

3 ОД 43 0,144 0,147 0,150 0,153 0,153 6,5

5 0,238 0,244 0,258 0,275 0,287 0,288 17,4

9 0,426 0,460 0,554 0,678 0,768 0,781 45,5

11 0,517 0,581 0,766 1,018 1,208 1,235 58,1

21 0,955 1,452 3,371 7,235 11,154 11,800 91,9

Рис. 13. Трансформация пятна консервативного вещества при повороте течения:

а) поворот на О';

б) поворот на 45';

в) поворот на 90"

При этом возрастание концентрации примеси в контрольных створах происходит вплоть до момента поворота распределительной трубы на 90°, где наблюдается наибольшее значение. Также эффективность разбавления снижается по мере увеличения числа оголовков.

Полученные закономерности могут объясняться следующим образом. Поворот течения изменяет распределение концентрации загрязняющего вещества, от равномерного при классическом выпуске (рис. 13, а) до неравномерного, со

С,

смещением максимальной концентрации в зону нижнего по течению пятна (рис. 13, б). Данный фактор ухудшает условия разбавления за счет увеличения степени взаимного влияния между соседними струями. В случае поворота на 90° происходит объединение соседних пятен с образованием области повышенной концентрации в голове общего пятна (рис. 13, в).

Далее рассмотрены модификации рассеивающего выпуска при повороте распределительной трубы относительно оси симметрии (рис. 14, а). Конфигурация трубы (рис. 14, б) варьируется с помощью углов со1 и со2 с шагом 45°. Конструкции делятся на две группы. К первой относятся выпуски, распределительная труба которых повернута так, чтобы направление вершины угла совпадала с течением (рис. 14, б, № 1-5). Ко второй группе относятся конструкции с вершиной угла, направленной противоположно течению (рис. 14, б, № 6-10). Расчет концентрации производился для выпуска из 11 оголовков. На рис. 14, б конструкции выстроены в порядке снижения эффективности разбавления. Снижение эффективности при сравнении выпуска № 1 и № 10 составляет 87,5 %.

Выпуск № 1 К-образного типа работает эффективнее классического на 56,7%.

Во времени условия эксплуатации могут меняться (производительность станции очистки, гидрологические условия), поэтому в условиях реки предлагается производить оценку изменения режима функционирования выпуска. Для увеличения интенсивности разбавления из работы выводятся чётные оголовки. Отключение оголовка может выполняться путем заваривания выпускающего отверстия. Расчет показывает возрастание начального разбавления на 16,5 % с учетом фактора стеснения струи. Обязательным является гидравлический расчет выпуска.

4. Разработана методика определения оптимальной конструкции выпуска с учетом затрат на очистку сточных вод и стоимости выпуска

В работе представлены основные этапы методики по каждому из вариантов водного объекта:

Рис. 14. Расчетная схема поворота рассеивающего выпуска

1. Назначение конструкций выпуска и точек сброса сточных вод. Для сброса используется сосредоточенный и рассеивающий выпуски с различными модификациями распределительного трубопровода. Область сброса определяется нормативными документами и гидрологическими условиями.

2. Расчет кратности начального и основного разбавления сточных вод. Начальное разбавление определяется по методике H.H. Лаптева. Основное разбавление рассчитывается по зависимостям автора и сводится в табл. 4.

Таблица 4

Расчет основного и общего разбавления

Число оголовков, ТИТ Глубина Я, м Основное разбавление п0 Общее разбавление п=пИ па

Расстояние между оголовками, м 'асстояние между оголовками, м

1 2 5 8 10 1 2 5 8 10

1 10 16,5 _ - - 76 - - - -

18 8,6 - - - - 101 - - - -

>30 6,9 - - - - 115 - - - -

5 10 4,4 5,6 12,9 18,8 19,6 55 70 161 235 245

>18 2,6 3,1 6,7 10,3 12,2 65 77 167 256 304

10 10 4,6 5,9 13,8 19,8 20,5 92 119 277 398 412

>18 3,6 4,5 10,2 15,6 16,4 107 134 303 463 487

15 10 3,2 6,3 15,7 22,0 22,7 82 162 403 565 583

>18 2,5 4,9 12,1 17,9 18,7 82 161 398 589 615

3. На основании качества сточных вод устанавливается технология очистки. Для принятой схемы очистки составляется табл. 5, где руководствуясь значениями предельно допустимой и фоновой концентрации, определены значения необходимой кратности разбавления п по каждому этапу очистки.

4. Сравнение кратностей разбавления в табл. 4 и 5 для назначения конструкции выпуска, позволяющей обеспечить санитарную безопасность водного объекта при различной степени очистки.

5. Расчет стоимости строительства каждой конструкции выпуска. Для определения стоимости использовались федеральные единичные расценки на проведение подводно-строительных работ, на основании которых был выполнен расчет в базовых ценах (табл. 6). Далее с помощью индексов изменения сметной стоимости затраты приводятся к текущим ценам.

6. Определение затрат при эксплуатации выпуска (амортизационные отчисления и плата за негативное воздействие на окружающую водную среду).

Плата за негативное воздействие выполняется в соответствии с постановлением Правительства РФ №344 от 12.07.2003.

7. Расчет стоимости затрат на очистку сточных вод выполняется с помощью функциональных зависимостей капитальных (К() и текущих затрат (С) от производительности очистной станции ц (13), полученных при изучении технико-экономических показателей работы ряда станций очистки сточных вод.

Таблица 5

Качество сточной воды и эффект разбавления при различном степеип очистки

Показатель пдк Фоновая концентрация. мг/л Неочищенная сточная вода, мг/л Концентрация в контрольном створе, мг/л Кратность общего разбавления, п Механическая очистка Биологическая очистка Доочистка

С. мг/л п С, мг/л п С. мг/л п

с +0,25 1 227 1.25 908 136.2 545 15,0 60 5.25 21

ВПК, 2.0 1.12 200 2 227 132 150 13,2 15,0 2.6 2.9

Л^обш - 0.55 30,9 0,55 56,2 - - 23.5 42.7 22,3 40,5

1.5 0,01 16,0 1,5 10,7 15.7 10.5 8,0 5,3 5.8 3.9

Л'03" 40 0,05 0.71 0.05 14,2 - - 6.8 136 4.9 98

Робш - 0.02 5,9 0,02 295 - - 4,8 240 0,8 40

РО 0,05 0.01 2.4 0.05 60 2.2 55 1,9 47.5 0.5 12.5

Нефтепродукты 0.05 0,03 0.05 5,1 255 - - 0,35 17,5 - -

Л" 0,05 0.01 5,4 0,05 135 - - - - 0.35 7

Си'* 0,005 0.001 0,068 0.005 17 - - - - 0,0039 -

Таблица 6

Стоимость работ по строительству выпуска сточных вод в базовых ценах 2001 года

2 Труба, тыс. руб/м; и о а 2 - ю о <и _ о. Расчистка дна Укладка на дно трубопровода, тыс. руб./м У Я ю 2 ^

Й Нанесен бетона, т: руб/м сз сз « а н ю £■ я и 3 5 В зависимости от глубины Я, м

1 Ч а" я е? ь о ё л Н, м тыс. руб./ 10 20 30 40 50 60 ►а с У и .а К И

0,9 2,74 1,85 6,03 121,9 40 1^0 2,19 2,24 3,08 4,91 7,05 9,22 0,06

1,2 3,65 4,03 7,38 157,86 50 2,16 2,63 2,69 3,72 5,94 8,55 11,19 0,09

1,4 5,23 4,40 9,93 181,11 60 3,01 2,94 3,01 4,17 6,66 9,59 12,56 0,11

К, =а,<Гр1, С,.=а2<ГР2, (13)

где (Xj и 2 коэффициенты, зависящие от способа очистки.

8. Суммирование приведенных затрат по каждому выпуску и соответствующей ему станции очистки. Выбор оптимального варианта сброса.

Разработанные рекомендации использованы ООО «Проектно-строительным бюро КОНСТРУКТОР» при выполнении проектной документации для обоснования конструкции выпуска в р. Волхов (шифр проекта: 34.060/12). В проекте производилась оценка размера ущерба при возможном вынужденном сбросе неочищенных сточных вод по объектам воспроизводства рыб. При этом использовались данные ГОСНИОРХ по месту выпуска в реке и учитывались положения Приказа Росрыболовства от 25.11.2011 №1166. При изменении конструкции существующего рассеивающего выпуска с увеличением числа оголовков с 5 до 10 получен экономический эффект в снижении ущерба по объектам воспроизводства рыб на 582 224 руб. (в ценах 2012 г.).

Также результаты исследования и программа «DISPERSION DISCHARGE IN A SEA» использованы в проектной деятельности «Группы компаний «ИНЖЕНЕРНЫЕ ЭКОСИСТЕМЫ» (шифр проекта: 01/2013) для разработки проекта выпуска очищенных сточных вод в акваторию Угольной гавани.

Общие выводы

1. Получено аналитическое решение уравнения турбулентной диффузии и подобраны функции начального распределения концентрации, которые позволяют моделировать условия функционирования классической конструкции рассеивающего выпуска в водоеме и водотоке, а также его модификации в зависимости от формы распределительного трубопровода. Проведена верификация модели с использованием данных функционирования существующих выпусков ГУП «Водоканал СПб» по показателям качества воды: взвешенные вещества, БПК5, ХПК,(общий азот), Fe3+, См2+.

2. Для прогнозирования качества воды в водоеме составлена программа «DISPERSION DISCHARGE IN A SEA». В программе предусмотрен расчет начального разбавления по методике Н.Н. Лапшева и основного разбавления с помощью модели предлагаемой автором. Результатом расчета является нестационарное поле концентрации в водном объекте. Данная программа апробирована на натурных данных и может использоваться в инженерной практике. В программе предусмотрена одномерная направленность диктующего течения в водоеме. Поэтому применение программы ограничивается створами близкими к выпуску, включая контрольный в 500 м.

3. Исследование работы рассеивающего выпуска при увеличении расстояния между оголовками показало индивидуальный характер разбавления стоков в разных водных объектах. В водоеме во всех створах после точки сброса наблюдается рост эффективности разбавления от 25 % до 50 %, который сохраняется даже на удаленных створах. В условиях водотока существенное влияние оказывают стенки русла, поэтому изменение конструкции выпуска приводит к суще-

ственным изменениям концентрации только в створах, близких к точке сброса. В дальнейшем по ходу течения концентрация примеси выравнивается по сечению русла, и условия разбавления существенно не меняются.

4. Произведена оценка влияния поворота течения на эффективность работы рассеивающего выпуска. При изменении угла от 0° до 90° в контрольном створе в 500 м наблюдается снижение эффективности разбавления. Наиболее неблагоприятным случаем является поворот на 90° когда происходит объединение соседних пятен с образованием области повышенной концентрации. В работе рассмотрены различные модификации распределительной трубы выпуска. Анализ результатов показал, что наиболее эффективной является F-образная конструкция, направленная стрелкой в сторону диктующего течения. Эффективность разбавления сточных вод по сравнению с классическим выпуском увеличивается на 57 %.

5. Для условий водотока с целью интенсификации процесса разбавления при эксплуатации выпуска предлагается режим отключения отдельных оголовков. Данное мероприятие позволяет увеличить степень начального разбавления за счет перераспределения расходов и увеличения скорости истечения. Основным условием является анализ величины потерь напора на истечение.

6. Разработана методика подбора оптимального выпуска сточных вод с учетом степени очистки хозяйственно-бьгговых сточных вод для условий моря и реки. Степень очистки сточных вод характеризуется показателем взвешенных веществ, БПК5, ХПК, No6nt (общий азот), NHA, NO}, />о6щ (общий фосфор), РОл, нефтепродукты, Fe3+, Си2*. Представлены примеры расчета.

7. Результаты исследования и программа «DISPERSION DISCHARGE IN А SEA» внедрены при разработке проектной документации компаниями: «ПСБ КОНСТРУКТОР» (шифр: 34.060/12) для выпуска в р. Волхов и «ГК «ИНЖЕНЕРНЫЕ ЭКОСИСТЕМЫ» (шифр: 01/2013) для выпуска в акваторию Угольной гавани, а также в учебном процессе по дисциплине «Методы прогнозирования качества воды».

III. Основные научные публикации по теме диссертационного исследования:

публикации в периодических научных изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Федоров, С.В. Оценка функционирования рассеивающего выпуска при условии отключения отдельных оголовков/ Н.Н. Лаптев, С.В. Федоров // Современные проблемы науки и образования. 2012. №3. 0,75 п.л./0,4 п.л.

2. Федоров, С.В. Нестационарная модель турбулентной диффузии для сосредоточенного выпуска сточных вод в море/ Н.Н. Лапшев, С.В. Федоров // Вестник гражданских инженеров. 2012. №1(30). С. 172-177. 0,75 п.л./0,4 п.л.

3. Федоров, С.В. Программная реализация расчета диффузии примесей в водоеме/ С.В. Федоров, А. А. Семенов //Вестник гражданских инженеров. 2012. №5(34). С. 247-252. 0,9 п.л./0,5 п.л.

4. Федоров, С.В. Влияние положения рассеивающего выпуска в начальном створе на процесс разбавления сточных вод в водоеме/ С.В. Федоров //Вестник гражданских инженеров. 2013. №1(35). С. 131-136. 0,9 п.л./0,9 п.л.

5.Патенты.

5. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ «DISPERSION DISCHARGE IN A SEA» / С. В. Федоров, А. А. Семенов. -№ 2012610388; заявл. 09.11.11; зарегистр. 10.01.12. - СПб.: СПбГАСУ. - 2012

публикации в других изданиях:

6. Федоров, С.В. Изучение работы рассеивающего выпуска в условиях нестационарной задачи / С.В. Федоров // Сборник научных трудов студентов, аспирантов и молодых ученых победителей конкурсов 2010 года. Выпуск 6. / СПб: СПбГАСУ. 2011. С. 47-58. 0,9 п.л./0,9 п.л.

7. Федоров, С.В. Моделирование поля концентрации в водном объекте / С.В. Федоров, Е.И. Голяк, О. А. Деюшина // 64-ая международная научно-техническая конференция молодых ученых (аспирантов, докторантов) и студентов, посвященная 300-летию со дня рождения М.В. Ломоносова. / СПб: СПбГАСУ. 2011. С. 246-249. 0,2 п.л./0,1 п.л.

8. Федоров, С.В. Решение уравнения турбулентной диффузии для сосредоточенного выпуска в водоем / Н.Н. Лапшев, С.В. Федоров // 68-я научная конференция профессоров, преподавателей, научных работников, инженеров и аспирантов университета. / СПб: СПбГАСУ. 2011. С. 97-1СJ. 0,4 п.л./0,25 п.л.

9. Федоров, С.В. Нестационарная модель турбулентной диффузии для рассеивающего выпуска в водоем / Н.Н. Лапшев, С.В. Федоров // 14-я международная межвузовская научно-практическая конференция молодых ученых, докторантов и аспирантов. / Москва: МГСУ. 2011. С. 258-262. 0,3 п.л./0,15 п.л.

10. Федоров, С.В. Изучение влияния конструкции рассеивающего выпуска на санитарную обстановку в водоеме/ Н.Н. Лапшев, С.В. Федоров // Вестник ОГАСА. 2011. №42. С. 131-136. 0,4 п.л./0,3 п.л.

11. Федоров, С.В. Изучение функционирования рассеивающего выпуска в водотоке/ Н.Н. Лапшев, С.В. Федоров, О.Л. Сергиенко // Вода и экология. 2012. №1(49). С. 27-36. 0,8 п.л./0,4 п.л.

12. Федоров, С.В. Экономическая оценка выбора местоположения выпуска сточных вод/ Н.Н. Лапшев, С.В. Федоров // Международный конгресс посвященный 180-летию СПбГАСУ. Наука и инновации в современном строительстве — 2012 / СПб: СПбГАСУ. 2012. С. 26-32. 0,4 п.л./0,3 п.л.

13. Федоров, С.В. Изучение влияния конструкции рассеивающего выпуска на санитарную обстановку в водоеме / С.В. Федоров // Сборник научных трудов студентов, аспирантов и молодых ученых победителей конкурсов 2011 года. Выпуск 7. / СПб: СПбГАСУ. 2012. С. 147-159. 1,25 п.л./1,25 п.л.

Компьютерная верстка И. А. Яблоновой

Подписано к печати 09.09.13. Формат 60x84 1/16. Бум. офсетная. Усл. печ. л. 1,5. Тираж 120 экз. Заказ 98. Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет.

190005, Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., 4. Отпечатано на ризографе. 190005, Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., 5.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет»

04201362802 На правах рукописи

Федоров Святослав Викторович

ИССЛЕДОВАНИЕ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ И ПОДБОР ОПТИМАЛЬНОЙ КОНСТРУКЦИИ РАССЕИВАЮЩЕГО ВЫПУСКА СТОЧНЫХ ВОД В УСЛОВИЯХ ВОДОЕМА И ВОДОТОКА

Специальность 05.23.04 - Водоснабжение, канализация, строительные системы

охраны водных ресурсов

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Лаптев Н.Н.

Санкт-Петербург - 2013 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ.............................................5

ВВЕДЕНИЕ...............................................................................................................10

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ И ОЦЕНКА ОСНОВНЫХ МЕТОДОВ ПРОГНОЗА КАЧЕСТВА ВОДЫ. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА..................................................16

. 1 Санитарная охрана водоемов и водотоков при сбросе сточных вод......16

1.1.1 Основные положения законодательства РФ в области охраны водоемов и водотоков.........................................................................................17

1.1.2 Условия сброса сточных вод....................................................................21

1.1.2.1 Регламентный сброс сточных вод........................................................26

1.1.2.2 Аварийный сброс сточных вод.............................................................27

1.2 Теоретические основы процесса разбавления сточных вод.....................28

1.2.1 Расчет начального разбавления...............................................................29

1.2.2 Расчет основного разбавления.................................................................31

1.2.2.1 Линейная задача....................................................................................32

1.2.2.2 Плоская (двухмерная) задача................................................................33

1.2.2.3 Пространственная (трехмерная) задача...............................................35

1.2.2.4 Нестационарная одно-, двух- и трехмерная задача.............................38

1.2.3 Недостатки рассмотренных методов и актуальные проблемы........43

1.3 Определение целей и задач исследования...................................................49

ГЛАВА 2 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ РАССЕИВАЮЩЕГОВЫПУСКА .....................................................................................................................................50

2.1 Аналитическое решение модифицированного уравнения турбулентной диффузии.................................................................................................................51

2.2 Вычисление коэффициентов турбулентной диффузии...............................53

2.3 Математическая модель основного разбавления сточных вод в водоеме ..................................................................................................................................56

2.3.1 Решение уравнения турбулентной диффузии для

рассеивающеговыпуска в водоем.......................................................................63

2.3.2 Оценка работоспособности модели для условий водоема...................65

2.4. Математическая модель основного разбавления сточных вод в водотоке.................................................................................................................68

2.4.1 Решение уравнения турбулентной диффузии для рассеивающего выпуска в водотоке.............................................................................................73

2.4.2 Оценка работоспособности модели для условий водотока.................76

2.5 Выводы..............................................................................................................79

ГЛАВА 3 ПРОВЕРКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ НА ОСНОВЕ ОПЫТНЫХ ДАННЫХ............................................................................................81

3.1 Проведение экспериментов для условий водоема.....................................81

3.1.1 Сравнение результатов модельных экспериментов с данными мониторинга действующих рассеивающих выпусков Санкт-Петербурга (ЦСЛ, ССА)..........................................................................................................81

3.1.2 Рассеивающий выпуск в Горьковское водохранилище...........................91

3.1.3 Сочинский морской выпуск.......................................................................94

3.1.4 Сравнение с исследованиями В.В. Морокова..........................................96

3.2 Проведение экспериментов для условий водотока...................................98

3.2.1 Сравнение с исследованиями В.П. Рогуновича.......................................98

3.2.2 Оценка работы модели для условий реки Клязьмы.............................102

3.2.3 Оценка работы модели для условий реки Нарев..................................106

3.2.4 Сравнение модельного расчета с результатами экспериментов Ю.А. Ибад-Заде на реке Кура....................................................................................109

3.2.5 Моделирование натурного эксперимента Л.И. Руги...........................111

3.3. Выводы по результатам модельных экспериментов...............................114

ГЛАВА 4 РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДЛЯ ИНЖЕНЕРНОГО РАСЧЕТА ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ РАССЕИВАЮЩЕГО ВЫПУСКА.......................................................................115

4.1 Алгоритм программы «DISPERSION DISCHARGE IN A SEA».................115

4.2 Этапы использования программы «DISPERSION DISCHARGE IN A SEA» ................................................................................................................................123

4.2.1 Определение исходных данных...............................................................123

4.2.2 Расчет и работа с полем концентрации..............................................125

4.3 Области применения программы «DISPERSION DISCHARGE IN A SEA» ................................................................................................................................128

ГЛАВА 5 ИССЛЕДОВАНИЕ ФАКТОРОВ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИХ ЭФФЕКТИВНОСТЬ РАЗБАВЛЕНИЯ СТОЧНЫХ ВОД ОТ РАССЕИВАЮЩЕГО ВЫПУСКА.......................................................................130

5.1 Анализ влияния конструктивных параметров выпуска на начальное

разбавление сточных вод...................................................................................131

5.2 Влияние конструкции рассеивающего выпуска на эффективность основного разбавления в море..........................................................................133

5.3 Влияние конструкции рассеивающего выпуска на эффективность основного разбавления в водотоке..................................................................136

5.4 Изучение влияния направления диктующего течения и поворота

выпуска на эффективность основного разбавления.....................................139

5.5 Изучение влияния режима работы рассеивающего выпуска при условии отключения части оголовков............................................................................146

5.6 Выводы по результатам проведения исследований.................................150

ГЛАВА 6 ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ВЫБОРА КОНСТРУКЦИИ ВЫПУСКА СТОЧНЫХ ВОД...............................................................................153

6.1 Выбор точки сброса в водоеме и оценка общего разбавления................154

6.2 Влияние местоположения выпуска на стоимость очистки сточных вод ................................................................................................................................159

6.3 Оценка стоимости выпуска сточных вод в водоем.................................165

6.4 Выбор оптимальной конструкции выпуска в водоеме............................170

6.5 Выбор точки сброса в водотоке и оценка общего разбавления...............171

6.6 Оценка стоимости очистки воды и выбор конструкции выпуска в водотоке...............................................................................................................174

6.7 Оценка стоимости выпуска в водотоке.....................................................174

6.8 Выбор оптимальной конструкции выпуска в водотоке...........................176

6.9 Выводы............................................................................................................177

ЗАКЛЮЧЕНИЕ......................................................................................................179

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ....................................................................................183

ПРИЛОЖЕНИЕ А..................................................................................................196

ПРИЛОЖЕНИЕ Б..................................................................................................197

ПРИЛОЖЕНИЕ В..................................................................................................198

ПРИЛОЖЕНИЕ Г..................................................................................................199

ПРИЛОЖЕНИЕ Д..................................................................................................200

ПРИЛОЖЕНИЕ Е..................................................................................................201

ПРИЛОЖЕНИЕ Ж.................................................................................................202

ПРИЛОЖЕНИЕ 3..................................................................................................220

ПРИЛОЖЕНИЕ И.................................................................................................221

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

а

а\,г

В Вп

ъ

Ъ\,2

Ъу

с с

с

С\л

Со

с„

См

с

Сф

с

с,

ш пр

Сщах

с с С{)/

с,

н/ вод

с

£>х, £>у, Эг

- расстояние от места сброса до створа полного растворения примеси [м];

- постоянная, введенная при решении уравнения турбулентной диффузии для условия водотока;

- координаты, определяющие размер и привязку к осям начальной ступени функции Цу,г) по оси г [м];

- ширина водотока [м];

- полуширина начального пятна (облака) примеси [м];

- расстояние между границами начальных пятен примеси при функционировании рассеивающего выпуска [м];

- координаты, определяющие размер и привязку к осям начальной ступени функции И(у,г) по оси у [м];

- ширина сегмента [м];

- концентрация примеси [мг/л];

- пульсационная составляющая концентрации [мг/л];

- осредненное значение концентрации [мг/л];

- переменная, вводимая для упрощения уравнения турбулентной диффузии;

- концентрация примеси в сточных водах [мг/л];

- концентрация примеси в начальном пятне при равномерном распределении концентрации [мг/л];

- максимальная концентрация примеси в центре начального пятна при показательном и линейном законах распределения концентрации [мг/л];

- концентрация в створе полного перемешивания [мг/л];

- фоновая концентрация вещества в водном объекте [мг/л];

- коэффициент Шези [м°'5/с];

- приведенное значение коэффициента Шези для условий зимнего режима [м°'5/с];

- максимальное значение концентрации при построении поля концентрации в программе [мг/л];

- минимальное значение концентрации при построении поля концентрации в программе [мг/л];

- значение концентрации примеси для каждой ]-ой изолинии в пятне [мг/л];

- концентрация загрязнения в сточной воде при нестационарном сбросе в промежутке времени от (ь1)1с до [мг/л];

- норматив платы за сброс 1 тонны ¡-го загрязняющего вещества [руб];

- себестоимость очистки сточных вод [руб];

- обобщенный коэффициент турбулентной диффузии [м2/с];

- составляющие коэффициента турбулентной диффузии

[м2/с];

с1 - диаметр нестесненной струи [м];

с!т - диаметр распределительного трубопровода [м];

¿4 - эффективный диаметр донных отложений [м];

¿/о - диаметр выпускающего отверстия оголовка [м];

с1\ - диаметр оголовка [м];

^ - относительный диаметр струи;

£„ - нормативный коэффициент эффективности капитальных

вложений;

^ - область интегрирования по начальному сечению;

g - ускорение свободного падения [м/с ];

Н - средняя глубина водного объекта [м];

Нп - полувысота начального облака примеси [м];

- относительная глубина размещения оголовка;

И. - привязка начальных пятен примеси к дну реки [м];

къ - высота волны [м];

К - величина капитальных затрат [руб];

К - безразмерный критерий;

К] - коэффициент индексации стоимости очистки;

Кт - коэффициент индексации платы за негативное воздействие

на окружающую среду; К3 вод - коэффициент, учитывающий экологические факторы, при-

нимаемый в зависимости от водного объекта; Кмод - коэффициент модернизации, учитывающий использование

нового оборудования; ку - поперечный коэффициент обмена, учитывающий как кон-

векционный, так и дисперсионный перенос [м2/с]; ко - коэффициент равный 700;

к - коэффициент молекулярной диффузии [м2/с];

к\ - коэффициент неконсервативности [1/с];

- коэффициент, зависящий от вида водного объекта, определяемый с помощью натурного моделирования;

Ьъ - расстояние от берегового колодца до 1-го оголовка в рас-

сеивающем выпуске [м]; ¿,„1,2 - полудлина начального пятна (облака) примеси [м];

Ь* - расстояние, определяющие положение выпуска в продоль-

ном направлении относительно начала координат [м]; /в - расстояние между оголовками в осях [м];

М - общее количество оголовков в рассеивающем выпуске;

М0 - масса сброса загрязняющего вещества в облаке [кг];

М\ - функция коэффициента Шези [м0,5/с];

М\ вод - фактическая масса сброса ¡-го загрязняющего вещества;

ш - параметр, характеризующий отношение скорости потока к

скорости истечения;

т - отношение скоростных напоров;

гиг - показатель степени, зависящий от вида водного объекта и

изменяющийся в пределах от 0 до 2; N - номер оголовка (начального пятна примеси) в рассеиваю-

щем выпуске; п - кратность общего разбавления;

пн - кратность начального разбавления;

пн* - кратность начального разбавления с учетом стеснения

струи стенками русла; п0 - кратность основного разбавления;

«ст - номер ступени в функции Е(у,г);

«шпр - приведенное значение шероховатости русла для зимнего

режима

«¡50 - количество изолиний в пятне;

Ре - число Пекле

р1 - уровень оборота ьго вещества;

ру,г - коэффициент, характеризующий отношение Бх к DyíZ;

ро%ге$Ъ. - параметр равный 5-10 %, определяющий диапазон концен-

трации для построения графика в программе; <2 - расход воды в водотоке [м3/с];

Qн - расход сточных вод в сечении начального разбавления

[м3/с];

д - расход сточных вод (расход красителя) [м3/с];

Я - гидравлический радиус [м];

Ям - радиус поворота оголовков [м];

Дпр - приведенное значение гидравлического радиуса для усло-

вий зимнего режима [м]; Яе - число Рейнольдса;

Ш - число Ричардсона;

г - поперечная координата в цилиндрической системе коор-

динат;

г\ - расчетный параметр, зависящий от области сброса сточ-

ных вод по глубине;

2.з,4,5,6,7 - коэффициенты вводимые при решении уравнения турбу-

лентной диффузии для условий водотока;

- шаг концентрации в пятне при расчете в программе [мг/л]; 81ерх,у - размеры ячейки сетки в программе по осям х и у [м];

Ту,г - параметр, на который увеличивается размер ступени в

функции Цу,г) [м]; ^ - время [с];

¿с - продолжительность сброса сточных вод [с];

tgY - параметр, представляющий собой тангенс угла наклона

радиус вектора, соединяющего начало координат с заданной точкой на оси струи;

ит - скорость течения на оси струи [м/с];

V - средняя скорость течения [м/с];

Ух, ¥у, У2 - составляющие скорости в прямоугольных координатах

[м/с];

V* - динамическая скорость [м/с];

Ув - фазовая скорость волны [м/с];

Уо - скорость истечения сточной жидкости [м/с];

Уш - продольная компонента скорости в цилиндрической си-

стеме координат [м/с]; X - расстояние до створа по оси х, где заканчивается расчет в

программе [м];

Х\ - ширина береговой зоны, где должны обеспечиваться тре-

бования к качеству воды, предъявляемые водопользователем [м]; 71, 72 - расстояние до границ по оси у, где заканчивается расчет в

программе [м];

у 1 - привязка нулевого пятна примеси к берегу реки [м];

уд - высота расположения оголовка над дном [м];

Уз - высота затопления струи;

ур - расчетная высота струи [м];

У - относительная высота затопления струи;

у~ - относительная расчетная высота струи;

А/г - разница отметок воды в береговом колодце и водном объ-

екте [м];

Ах - расстояние между расчетными сечениями [м];

х, у, г - координаты пространства [м];

х,у,г - относительные координаты струи;

У, г' - координаты отмасштабированные на величину ру,2;

у, и, м> - целые числа;

П - величина приведенных затрат [руб];

П„ вод - плата за негативное воздействие на окружающую водную

среду [руб];

а коэффициент, зависящий от гидравлических условий сме-

шения;

си г - коэффициенты, зависящие от способа очистки сточных

вод;

Р 1.2 - коэффициенты, зависящие от способа очистки сточных

вод;

РД, ц - постоянные, введенные при решении уравнения турбу-

лентной диффузии для условия водотока; у - коэффициент смешения;

8,о - параметр, зависящий от глубины, скорости потока и дина-

мической скорости; Уо - кинематическая вязкость сточных вод [м /с];

£ - коэффициент, зависящий от начальных условий;

Ъ - функция самоочищения водного объекта;

^ - переменная, описывающая распределение концентрации в

продольном направлении; г| - переменная, описывающая распределение концентрации в

поперечном направлении; р«) - плотность воды в водном объекте [кг/м3];

ро - плотность сточной воды [кг/м3];

а - градиент плотности по глубине [кг/м ];

0 - параметр стратификации;

т - параметр, равный выражению, входящему в интеграл ве-

роятности;

фо - угол поворота оголовка относительно дна водного объекта

[град];

со - продольное направление в цилиндрической системе коор-

динат [м];

С1З12 - угол поворота распределительной трубы рассеивающего

выпуска [град];

Со(х,у,г) - функция начального распределения концентрации для

условий водотока;

С(у,г) " функция распределения концентрации в начальном сече-

нии;

С=ЛХ) ~ функция распределения концентрации в продольном

направлении;

С=/[у) - функция распределения концентрации в поперечном

направлении;

ехр(б; (у) " собственная функция, отвечающая собственному значе-

нию 8/;

/[Н/сГ) - функция, учитывающая стесненность струи;

ДТУ) - функция отключения оголовков;

0(х,уЛ) - функция описывающая консервативное распространение

облака единичной массы; Ф(...) - интеграл вероятности;

Х(...) - функция Хевисайда;

ф(^,г|) - функция начального распределения концентрации для

условий водоема; ф(£) - функция начального распределения концентрации;

Е(у,2) - функция, определяющая область расчета концентрации в

живом сечении реки; а^^) ' Функция зависимости дисперсии от времени;

ЛПВ - лимитирующий показатель вредности;

ОБУВ - ориентировочно безопасный уровень воздействия [мг/л];

ПДК - предельно допустимая концентрация [мг/л];

НДС - нормативно допустимый сброс [м3/с];

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования.

Вопросы экологической безопасности имеют огромное значение в крупных городах и промышленных центрах. Особенно это касается водных объектов, являющихся ц