автореферат диссертации по строительству, 05.23.04, диссертация на тему:Прогнозирование качества речной воды с учетом поступления сточных вод

На правах рукописи

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ КАЧЕСТВА РЕЧНОЙ ВОДЫ С УЧЕТОМ ПОСТУПЛЕНИЯ СТОЧНЫХ ВОД

05.23.04 - Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Нижний Новгород -1.997

Работа выполнена в Нижегородской государственной архитектурно-строительной академии.

Научный руководитель доктор технических наук, профессор, академик Российской академии архитектуры и строительных наук Найденко В.В.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор, член-корреспондент Российской академии архитектуры и строительных наук Скирдов И.В., кандидат технических наук, Фирсов А.И.

Ведущее предприятие - АО "Нижегородский САНТЕХПРОЕКТ"

защита диссертации состоится " 4 " оггр&^Я 1997г. в часов на заседании диссертационного совета Д 04 в Ниже-

городской государственной архитектурно-строительной академии по адресу: 603600 г.Нижний Новгород, ул.Ильинская, 65, корпус V, аудитория

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Нижегородской государственной архитектурно-строительной академии.

202.

Автореферат разослан 1997г.

Ученый секретарь

диссертационного совета профессор

Васильев Л.А.

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

Сщах" средняя по живому сечению концентрация загрязняющего вещества

в конце расчетного участка в максимально загрязненной струе, мг/л; С0- фоновая концентрация загрязняющего вещества, мг/л; Су- концентрация загрязняющего вещества в сточной жидкости _^го выпусков , расположенных, соответственно, на правом и левом берегу, мг/л;

Ру- величины разбавления сточных вод; К - коэффициент неконсервативности вещества, 1/сут. ТУ время добегания воды от фонового створа до контрольного, ч.; Тц- время добегания воды от 1, _]-го выпусков до контрольного створа, ч.; 0Г- расход реки, м3 /с; Ом- расход сточной жидкости, м3 /с; Ь - коэффициент смешения.

1 - расстояние по фарватеру до контрольного створа, м; а - безразмерный коэффициент; Г - коэффициент извилистости русла;

\у - коэффициент, учитывающий влияние места поступления сточной жидкости;

О - коэффициент турбулентной диффузии, м2/с; § - ускорение свободного падения, м/ с2; Н - средняя глубина потока, м; V - средняя скорость течения на участке, м/с;

Ка- поправочный множитель, зависящий от неравномерности глубин на

расчетном участке; С - коэффициент Шези; М - вспомогательная величина; N - коэффициент шероховатости русла; Я -гидравлический радиус потока, м; Д\'/ДЬ - относительный градиент скоростей течения, 1/с; Ие- число Рейнольдса.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Успешное решение проблем охраны водных ресурсов от загрязнения сточными водами в значительной степени определяется степенью достоверности информации об источниках, количестве и составе стоков, включая организованные выпуски городских, производственных и ливневых сточных вод, а также рассредоточенные поступления стоков с территорий.

Особую актуальность приобрели задачи прогнозирования качества поверхностных вод с учетом поступления стоков в связи с разработкой и реализацией федеральных экологических программ нашей страны, в том числе: федеральной целевой программы "Оздоровление экологической обстановки на реке Волге и ее притоках, восстановление и предотвращение деградации природных комплексов Волжского бассейна" ("Возрождение Волги"); федеральной целевой программы "Обеспечение населения России питьевой водой"; федеральной целевой программы "Создание единой государственной системы экологического мониторинга Российской Федерации"; государственной научно-технической программы "Экологическая безопасность России".

Учитывая трудоемкость и высокую стоимость работ, связанных с экспериментальным определением влияния различных источников загрязнения на качество природных вод, в мировой практике получили развитие математические методы моделирования процессов загрязнения и самоочищения водоемов. Отечественным ученым принадлежит приоритет в создании научных основ решения этой проблемы. Отмечая большое научное и практическое значение полученных результатов, вместе с тем следует указать на недостатки существующих методов математического моделирования, основными из которых являются: низкая точность прогноза при большой извилистости, резких изменениях ширины и глубины рек, наличии нескольких сосредоточенных выпусков стоков, а также рассредоточенного поступления стоков с территорий.

Данная работа направлена на совершенствование существующих моделей прогнозирования качества речных вод с определением предельно допустимых сбросов стоков.

Диссертационная работа выполнялась в рамках федеральной целевой про-1раммы "Возрождение Волги" и международного российско-германского экологического проекта "Ока-Эльба" (1992-1996г.г.).

Цель исследований

Разработка методов прогнозирования качества речной воды с учетом различных источников загрязнения.

Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены следующие задачи:

- проведен анализ современных методов и средств прогнозирования и контроля качества поверхностных вод;

- на основе практических расчетов оценена точность существующих методов расчета качественных показателей речной воды;

- проведены натурные экспериментальные исследования смешения, разбавления, самоочищения сточных вод выпуска Горьковской станции аэрации (средний суточный расход 1,0 млн. м3), реки Рахмы (средний секундный расход воды в межень 1,0 м3) с водой реки Волги (средний секундный расход воды на исследуемом участке в межень 2000 м3);

- разработаны методы расчета качества воды в реке с учетом береговых выпусков сточных вод, а также смешения потоков воды рек различной загрязненности;

- для проведения практических расчетов экспериментально определены значения коэффициентов а, Ка, и в формулах И.Д.Родзиллера, В.А. Фролова, А.В.Караушева;

- проведена оценка адекватности предложенных методов расчета с разработкой практических рекомендаций по условиям их применимости.

Методика исследований

В основу натурных экспериментальных исследований положен опыт отечественных и зарубежных работ в области изучения гидродинамики русловых потоков, гидрохимии, биохимической деструкции органических загрязнений в естественных водотоках.

При разработке методов расчета качества воды рек с учетом поступления сточных вод использовались решения балансовых уравнений и уравнений конвективно-диффузионного переноса загрязняющих веществ в потоке воды. Параметризация и калибровка моделей осуществлялась на основе результатов лабораторных и натурных исследований.

Оценка адекватности предложенных методов расчета осуществлялась на основе методов математической статистики.

Научная новизна работы

1. Предложен метод расчета качества воды крупной равнинной реки с учетом реальной конфигурации русла и поступления загрязнений от сосредоточенных и рассредоточенных источников - выпусков городских, промышленных и ливневых сточных вод, а также притоков реки.

2. На основе результатов натурных исследований, проведенных автором на участке реки Волги, протяженностью 20км (от створа выпуска стоков Горьков-ской станции аэрации до створа водозаборов питьевого водоснабжения г.Кстово), определены основные гидрологические, гидрохимические и гидродинамические особенности зарегулированной равнинной реки и их влияние на процессы смешения с загрязняющими потоками воды и самоочищения.

3. Разработанный метод прогноза качества речной воды предназначен для проведения расчетов предельно допустимых сбросов загрязнений на выпусках очистных станций, выбора створов для строительства водозаборов, а также для принятия оперативных решений в чрезвычайных ситуациях - аварийные сбросы стоков городов, промышленных предприятий, речного транспорта, сельскохозяйственных объектов.

Достоверность научных положений обосновывается тем, что расчетные модели получены из общих уравнений гидродинамики и конвективно-диффузионного переноса веществ в водном потоке. Для параметризации расчетных моделей привлечены результаты экспериментальных лабораторных и натурных исследований. Точность предложенного метода подтверждается экспериментальными данными автора и других исследователей.

Практическая значимость работы

Большинство рассмотренных в диссертации вопросов было решено в связи с разработкой проектов водоохранных мероприятий, выполняемых институтом АО "Нижегородский САНТЕХПРОЕКТ", МП "ВОДОКАНАЛ"(г.Нижний Новгород), а также для решения задач по оптимизации технологических режимов Горьковской станции аэрации и станции подготовки питьевой воды г.Кстово. Метод прогнозирования качества речных вод передан Исполнительной дирекции федеральной целевой программы "Возрождение Волги" для решения широкого круга практических задач, в том числе: определения предельно допустимых сбросов стоков в реки, расчет концентраций загрязнений ниже сосредоточенных и рассредоточенных выпусков стоков, оперативное определение концентраций загрязнений в реке при аварийных ситуациях, оценка влияния вы-

пусков стоков на водозаборные сооружения систем питьевого водоснабжения и т.д.

Реализация результатов

Разработанные автором методические рекомендации и методы проведения практических расчетов по прогнозированию качественного состава речных вод с учетом поступления сточных вод используются при проведении проектных работ по техническому перевооружению водозаборных и водоочистных сооружений г.Кстово. Программы прогнозирования на ЭВМ качества речной воды используются в практической работе АО"Нижегородский САНТЕХПРОЕКТ", Всероссийским научно-исследовательским институтом гидротехники и мелиорации.

Апробация работы

Результаты диссертации докладывались на следующих конференциях и совещаниях: научно-технической конференции молодых ученых Волго-Вятского региона, г.Дзержинск, 1993г; российско-германском семинаре "Технология очистки воды", Г.Н.Новгород, 1995г.; научно-технической конференции про-фессорско - преподавательского состава Нижегородской государственной архитектурно-строительной академии, Г.Н.Новгород, 1996г.

Публикации

Основные результаты исследований опубликованы в 7 работах автора.

Объем работы

Работа состоит из введения, четырех глав, выводов и рекомендаций, библиографии из 118 наименований , включая 56 иностранных источников, и приложения. Диссертация изложена на 156 страницах машинописного текста, включает 10 рисунков, 18 таблиц и 3 приложения на 39 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении охарактеризована актуальность проблемы, значимость для решения вопросов экологического оздоровления реки Волги й ее притоков, для разработки практических методов и средств ликвидации последствий техногенных аварий. Дана характеристика научных результатов, полученных автором, и рекомендации по их практическому применению.

В первой главе систематизированы современные отечественные и зарубежные методы и средства оперативного контроля и прогнозирования загрязне-

ния поверхностных вод. Дан анализ эффективности существующих систем оперативного наблюдения и контроля, обозначены современные подходы к составлению гидрохимических прогнозов, изучены возможности математического моделирования в решении экологических проблем.

Наибольший эффект от внедрения автоматизированных и дистанционных методов контроля можно получить, если подсистема оперативного мониторинга является составной частью существующей режимной подсистемы, которая подготовлена к восприятию новой оперативной методологии и технологии контроля поверхностных вод. Большая часть комплекса отечественных технических средств по надежностным и метрологическим характеристикам уступает лучшим зарубежным образцам. Перспективы развития систем наблюдения и контроля - в совершенствовании технических средств, методов автоматизированного и дистанционного контроля качества поверхностных вод, расширении спектра автоматического определения приоритетных загрязняющих веществ, относящихся к 1 и II классам опасности, а также контроле групповых показателей с помощью дистанционных методов, позволяющих оперативно оценить общее состояние воды, уровень загрязненности водотоков, водохранилищ, устьевых участков реки и т.д.

Большой вклад в решение проблемы гидрохимического прогнозирования качества поверхностных вод вносят методы математического моделирования с использованием ЭВМ. Статистические модели используются при составлении прогнозов любой заблаговременности. Для краткосрочных прогнозов применение статистических методов требует непрерывного наблюдения за показателями качества воды. При этом ожидаемые значения получаются в виде статистически обоснованных усредненных показателей. Статистические методы непригодны в случаях резкого изменения концентраций загрязняющих веществ в воде, например, при воздействии "форс-мажорных" факторов. В такой ситуации краткосрочный прогноз целесообразно проводить на основе рассмотренных в диссертационной работе аналитических имитационных моделей. При этом прогнозируемые значения концентраций вблизи от места сброса следует рассчитывать на основе двухмерных или трехмерных моделей загрязнения при соответствующих начальных и граничных условиях. Прогноз дальнейшего распространения загрязнений следует проводить с использованием различных модификаций системы уравнений Стритгера - Фелпса. При наличии в потоке струй, не смешивающихся на значительном расстоянии, расчет необходимо проводить с учетом гидравлической картины течения для конкретного водотока. Аналитические модели могут быть использованы для долгосрочного прогнозирования качества речной воды. При определенных масштабных соотношениях и решении

сложных водохозяйственных задач весьма эффективными и удобными могут оказаться упрощенные модели загрязнения поверхностных вод.

Приведем основные уравнения упрощенных моделей. Средняя, по живому сечению расчетного участка, концентрация неконсервативного вещества в максимально загрязненной струе (Стах) определяется в соответствии с уравнением одномерной модели И.Д.Родзиллера - В.А.Фролова

стах = с0 -ю-КТ' , (1)

1 м 1 ^

где С0 - фоновая концентрация загрязняющего вещества, мг/л; Су- концентрация загрязняющего вещества в сточной жидкости ¡, _)-го выпусков , расположенных, соответственно, на правом и левом берегу, мг/л; Ру- величины разбавления сточных вод; К - коэффициент неконсервативности вещества, 1/сут. ТУ время добегания воды от фонового створа до контрольного, ч.; Ту- время добегания воды от 1, Уго выпусков до контрольного створа,ч. Разбавление сточных вод (Р) рассчитывается по формуле

Р=3» + ь.<Зг , (2)

где - расход реки, м3 /с;

- расход сточной жидкости, м3 /с; Ь - коэффициент смешения.

Для вычисления коэффициента смешения (Ь) используется следующее выражение

1 - е~а11

где 1 - расстояние по фарватеру до контрольного створа, м;

а - безразмерный коэффициент. Коэффициент (а) вычисляется по формуле

(4)

где Г - коэффициент извилистости русла;

- коэффициент, учитывающий влияние места поступления сточной жидкости;

Б - коэффициент турбулентной диффузии, м2/с.

Для определения коэффициента турбулентной диффузии (D) используются формула А.В.Караушева

= (5)

М-С v

и формула Н.Н.Павловского

D = , (6)

37-N'С V '

где g - ускорение свободного падения, м/с2;

Н - средняя глубина потока, м;

V - средняя скорость течения на участке, м/с;

Ка- поправочный множитель, зависящий от неравномерности глубин

на расчетном участке; С - коэффициент Шези; М - вспомогательная величина, М = 0,7С + 6; N - коэффициент шероховатости русла. Формула для расчета коэффициента Шези (С)

С = — ■ Ru , (7)

N

где R -гидравлический радиус потока, м;

и - коэффициент. Коэффициент (и) определяется по формуле

и = 2,5Л/Ы~~ - 0,13-0,75-(VN^O^VR > (8)

В основу двухмерной математической модели А.В.Караушева положено следующее уравнение

•

где х, у - координатные оси, соответственно вдоль потока, нормально

направлению потока в горизонтальной плоскости.

Уравнение (9) решается методом конечных разностей. На основании краткого аналитического обзора работ отечественных и зарубежных авторов в диссертации формулируются цели и задачи исследований, решение которых необходимо для повышения точности и надежности прогнозных расчетов качества поверхностных вод.

Во второй главе приведено описание объекта исследования. Отмечено, что качество воды реки Волги на исследуемом участке (рис.1) формируется под воздействием трех основных источников загрязнений: естественного фонового выноса, контролируемых сосредоточенных поступлений (Горьковской станции аэрации и реки Рахмы), поверхностного стока с сельскохозяйственных и селитебных территорий. Приведены параметры станции питьевого водоснабжения г.Кстова, выпуска очищенных сточных вод Горьковской станции аэрации, реки Рахмы. Проведена оценка качества воды на расчетном участке реки Волги от г.Нижнего Новгорода до г.Кстово (20 км). Для этой цели были использованы ежемесячные данные гидрохимического и гидрологического контроля ГОС-КОМГИДРОМЕТ РФ, муниципального предприятия "ВОДОКАНАЛ" (г.Нижний Новгород), а также данные Нижегородского областного и городского комитетов по охране природы, Нижегородского областного комитета водного хозяйства. В результате анализа определены тенденции изменения качества воды в реке Волге по 55 показателям во временном и пространственном разрезах. Для проверки адекватности существующих математических моделей были отобраны 12 репрезентативных показателей качества воды. Критерием репрезентативности ингредиентов были:

- превышение ПДК;

- наличие в сбрасываемых сточных водах;

- возможность получения значимых результатов на основе достаточного количества существующих данных.

Проводилась проверка адекватности четырех математических моделей расчета:

- одномерной модели И.Д.Родзиллера - В.А.Фролова с расчетом коэффициента турбулентной диффузии по методу Н.Н.Павловского;

- одномерной модели И.Д.Родзиллера - В.А.Фролова с вычислением коэффициента турбулентной диффузии по методу А.В.Караушева;

- двухмерной модели А.В.Караушева с расчетом коэффициента турбулентной диффузии по методу Н.Н.Павловского;

- двухмерной модели А.В.Караушева с вычислением коэффициента турбулентной диффузии по методу А.В.Караушева.

Рис.1. Схема исследуемого участка реки Волги

Критерием адекватности математических моделей служила сходимость прогноза с данными мониторинга качества воды. Оценка точности существующих моделей позволила сделать следующие выводы:

- ни одна из существующих моделей не может использоваться как универсальная для расчета распространения загрязнений в различных водотоках;

- граничные условия для математических моделей на отдельных участках реки необходимо определять с учетом критерия Рейнольдса и относительного градиента скоростей течения;

- наибольшую сходимость с результатами мониторинга по правому берегу и середине реки Волги обеспечивает одномерная модель И.Д.Родзиллера -В.А.Фролова с расчетом коэффициента турбулентной диффузии по методу А.В.Караушева (см. табл.1);

- наибольшую сходимость с результатами мониторинга по левому берегу имеет двухмерная модель А.В.Караушева с расчетом коэффициента турбулентной диффузии по методу А.В.Караушева;

- увеличение точности указанных моделей возможно путем уточнения основных коэффициентов на основе результатов натурных исследований.

Третья глава диссертации посвящена экспериментальным исследованиям по определению качества воды реки Волги на участке г.Нижний Новгород -г.Кстово, которые были проведены в период летней межени (1.07.-30.09.96г). Приведено картографическое обеспечение эксперимента, проанализирована гидрологическая обстановка на речном участке, представлена разработанная методика проведения экспериментов, техническая база мобильных средств наблюдения и стационарных лабораторий, участвующих в исследованиях.

Натурные и лабораторные исследования разделены на две группы:

- гидрометрические;

- гидрохимические.

Исходные данные для параметризации математических моделей приведен-ны в табл.2.

По результатам гидрометрических исследований построены профили дна и эпюры скоростей реки (рис.2-5), рассчитаны расходы в контрольных створах (табл.3, 4). Натурные гидрометрические исследования позволили ввести ряд дополнительных данных (табл.2) в расчетные модели, что позволило повысить точность метода расчета и обеспечить сходимость результатов с данными ГОСКОМГИДРОМЕТ РФ (до 93%).

Сходимость результатов расчетов (%) с данными ГОСКОМГИДРОМЕТ РФ (1991-1996г.г.)

Таблица 1

Показатель правый берег середина реки левый берег Среди

№№ метопгт 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4

БПК5 75 89 72 76 70 74 71 73 55 57 65 68 70

ХПК 78 82 73 77 81 79 67 • 1 72 42 47 50 52 70

Азот аммон. 48 53 41 39 53 Г58 32 32 44 47 23 26 70

Азот нитрит. 36 39 31 32 27 30 16 18 8 9 11 12 22

Азот нитрат. 69 73 55 57 50 52 15 18 14 17 54 57 44

Нефтепрод. 68 72 40 43 67 65 38 41 34 39 42 42 49

СПАВ 60 62 43 43 73 75 50 49 52 51 75 74 59

Хлориды 65 69 54 57 58 59 27 29 22 27 46 46 47

Сульфаты 75 79 69 70 49 50 52 57 20 22 55 59 55

Фосфаты 48 52 42 48 ^ 21 23 12 П 15 3 4 17 19 25

Медь 68 68 ГбЗ 64 68 72 55 53 33 36 72 75 61

Цинк 70 72 65 63 59 62 52 55 38 41 п 71 72 60

Железо общ. 61 63 31 34 55 57 27 29 27 31 50 52 43

Среднее 63 67 52 54 56 58 40 42 30 33 49 50 50

Примечание: 1- метод Родзиллера с расчетом коэффициента турбулентной диффузии по Павловскому;

2- метод Родзиллера с расчетом коэффициента турбулентной диффузии по Караушсву;

3- метод Караушева с расчетом коэффициента турбулентной диффузии по Павловскому;

4- метод Караушева с расчетом коэффициента турбулентной диффузии по Караушеву.

Исходные данные для параметризации математической модели

_ _ __Таблица 2

№ Объект Перечень характеристик

1 Выпуск сточных вод 1) Координата выпуска по длине (ЬЛ), м; 2) Расстояние от берега (ВЛ), м; 3) Тип выпуска (сосредоточенный, рассеивающий); 4) Скорость течения над выпуском (У«,), м/с; 5) Глубина водоема в месте выпуска (Н№), м; 6) Диаметр сосредоточенного выпуска (с1№), м; 7) Начальный расход стока (С?0), м3 /с ;

2 Водопользователь 1) Объем стока (С^), м3 /с; 2) Время сброса загрязнений (непрерывно, периодически), ч/сут. и дней/год; 3) Концентрации загрязняющих вещеста (С№), мг/л;

3 Загрязнения 1) Коэффициенты неконсервативности (К), 1/сут.

4 Участок реки 1) Водохозяйственный индекс; 2) Средняя ширина реки (В), м; 3) Средняя глубина реки (Н), м; 4) Коэффициент шероховатости ложа реки (М); 5) Объем стока (0), м3 /с; 6) Длина участка по прямой (Ь), м; 7) Длина участка по фарватеру ), м; 8) Координата контрольного створа (Ц), м; 9) Средняя скорость потока (V), м/с; 10) Время добегания до контрольного створа (Т), ч; 11) Фоновые (начало контрольного участка) концентрации загрязняющих веществ (С0), мг/л; 12) Концентрации загрязняющих веществ в контрольных створах с учетом времени добегания струи (С), мг/л; 13) Безразмерный коэффициент, учитывающий влияние места поступления сточной жидкости в речной поток (\у) ; 14) Безразмерный поправочный множитель, определяющий неравномерность распределения глубин на участке (т); 15) Гидравлический радиус потока (И), м;

Рис.2. Поперечный профиль дна р.Волги в створе N1 (500м выше выпуска Горьковской станции аэрации)

ширина реки (В),м

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

скорость течения реки (\0.м/с

Рис.З. Эпюры скоростей течения р.Волги в створе N1

(500м выше выпуска Горьковскойстанцииаэрации)

в § г

Рис.4. Поперечный профиль дна р.Волги в створе N2 (6500м выше водозабора г.Кстово)

скорость течения реки (У),м/с

Рис.5. Эпюры скоростей течения р.Волги в створе N2 (6500м выше водозабора г.Кстово)

Расчетные значения расходов воды р.Волги. (Створ №1,500м выше Горьковской станции аэрации)

___Таблица 3

Ж№ вертикали отсека сечения реки Глубина, м Средняя скорость, м/с Ширина отсека, м Площадь отсека, м1 Расход воды, м3 /с

¡отсек, к=0,7 — 0,21 582 1182 248

1 вертикаль 3 0,30 — — —

2 отсек — 0,47 124 528 248

2 вертикаль 4,8 0,63 — — —

3 отсек — - 0,66 74 376 248

3 вертикаль 6,3 0,70 — — —

4 отсек — 0,68 52 365 248

4 вертикаль 7,6 0,67 — — —

5 отсек — 0,68 48 365 248

5 вертикаль 6 0,68 — — ■—

6 отсек, к=0,9 — 0,62 80 400 248

Итого: — — — 3216 1488

Расчетные значения расходов воды р.Волги. (Створ №2,6500м выше водозабора г.Кстово) Таблица 4

Лг°№ вертикали отсека сечения реки Глубина, м Средняя скорость, м/с Ширина отсека, м Площадь отсека, м: Расход воды, м3/с

1 отсек, к=0,7 — 0,24 500 1062 255

1 вертикаль 2,6 0,34 — — —

2 отсек — 0,45 140 ' 567 255

2 вертикаль 3,5 0,56 — — —

3 отсек — 0,66 80 386 255

3 вертикаль 4,3 0,76 — — —

4 отсек — 0,71 60 359 255

4 вертикаль 5,4 0,66 ■— — —

5 отсек — 0,68 40 375 255

5 вертикаль 6,5 0,71 — — —

6 отсек, к=0,9 0,64 40 398 255

Сумма — — — 3147 1530

По данным гидрохимических анализов осуществлялась параметризация расчетных математических моделей. Параметризация моделей проводилась последовательными итеррациями при достижении требуемой сходимости результатов. В математические модели введен ряд значимых параметров:

- определен поправочный множитель, зависящий от соотношения максимальной и средней глубин расчетного участка реки, используемый в формуле расчета коэффициента турбулентной диффузии Ка =3,2;

- определен безразмерный коэффициент \у, учитывающий влияние места поступления сточной жидкости в речной поток, необходимый для вычисления коэффициента смешения сточной жидкости с речной водой \у=1,2;

- определены значения коэффициентов неконсервативности загрязняющих веществ для расчетного водотока (табл.5);

- определен коэффициент шероховатости русла К, используемый в формуле расчета коэффициента турбулентной диффузии N=0,040.

Расчетные значения коэффициентов неконсерватнвности

Таблица 5

№ Показатели К, 1/сут. (в сущест- К, 1/сут. (в разработанных

п/п вующих моделях) моделях)

1 БПК5 0,230 0,130

2 ХГЖ — 0,050

3 N(N114) 0,069 0,160

4 N(N02) 2,000 2,500

5 N(N03) 0,112 0,120

6 Нефтепродукты 0,044 0,130

7 Р(Р04) — 0,032

8 Общий углерод — 0,062

9 Общий органический — 0,094

углерод

10 Растворенный органический углерод 0,076

11 Фенолы 0,343 0,290

На рис.6,7 дана сравнительная оценка сходимости прогнозов по уточненным математическим моделям. Увеличение сходимости прогнозов достигнуто по каждому из исследуемых загрязняющих веществ. Помимо этого, получена сходимость 44 - 53% по ряду ингредиентов, не контролируемых службами мониторинга, но определяемых в ходе эксперимента.

Проведенные натурные и лабораторные исследования показали, что каждая модель (одномерная и двухмерная) работает на определенных участках реки. При моделировании естественных русел данные параметры учитываются критерием Рейнольдса и отношением градиента скоростей течения к глубине (относительным градиентом скоростей течения).

Прогнозирование распространения загрязняющих веществ по одномерной модели следует вести для участков рек со сходными режимами движения воды, которые характеризуются числами Рейнольдса в диапазоне Ие>0,5-ю6 и относительными градиентами скоростей течения в диапазоне Ду/ДЪ >0,05 [1/с], граничные условия для двухмерной модели, соответственно Ке<0,5-10", Ду/ДЬ <0,05 [1/с].

В четвертой главе приведено описание методов прогнозирования качества поверхностного водоисточника с учетом поступления сточных вод. Рекомендованы два варианта расчета:

- для частей потока, которые характеризуются числами Рейнольдса в диапазоне Яе>0,5 -Ю6 и относительными градиентами скоростей течения в диапазоне Ду/ДЪ >0,05 [1/с] ( в нашем случае середина и правобережье), с использованием модификации одномерной модели И.Д.Родзиллера - В.А.Фролова;

- для частей потока, которые характеризуются числами Рейнольдса в диапазоне Яе<0,5-Ю6 и относительными градиентами скоростей течения в диапазоне Ау/ДЬ <0,05 [1/с] (левобережье), с использованием модификации двухмерной модели А.В.Караушева.

Изменения в уравнении (1), предложенные автором, касаются значений коэффициентов неконсервативности ряда загрязняющих веществ (К). Этот параметр характеризует специфику процессов самоочищения в конкретном водном объекте.

При определении безразмерного коэффициента а, необходимого для расчета коэффициента смешения по модели И.Д.Родзиллера - В.А.Фролова рекомендуется изменить значения параметров те и О. Учитывая гидродинамические особенности выпусков сточных вод на расчетном участке реки Волги, а именно, высокие скорости течения воды и

90 80 70 60 50

0

3

1 40 30 20 10

О

Т5—1Г

I Пдо параметризации ] О после параметризации

83 83

тг

л

69 70

Ж-

3 О I

I I

Рис.6. Сравнительная оценка сходимости прогнозов по результатам параметризации одномерной математической модели для участков р.Волги с Ие >0,5 10А6 и Ду/ДЬ >0,05

Рис.7. Сравнительная оценка сходимости прогнозов по результатам параметризации двухмерной математической модели для участков р.Волги с Ке <0,5 10Л6 и А\1АЪ <0,05

большие глубины в местах поступления стоков, рекомендуется увеличить значение коэффициента V/ с \у=1,0 (используемого в предыдущих методиках) до \¥=1,2.

Сходимость прогноза по расчетным моделям увеличилась в результате введения поправочного множителя Ка=3,2 , зависящего от неравномерности глубин на расчетном участке, в формулу определения коэффициента турбулентной диффузии (5), используемую в одномерной и двухмерной моделях.

Изменения также были внесены в формулу определения коэффициента и (В), необходимого при расчетах коэффициента Шези по обеим моделям. Изменения касались корректировки значения коэффициента шероховатости русла К, зависящего от состояния русла (по существующим методикам N=0,025). Значение коэффициента Н определенное последовательными итеррациями в процессе оценки результатов натурных исследований, равно N=0,040.

Учитывая трудоемкость прогнозных расчетов, предусмотрено их выполнение на персональном компьютере. Для этих целей, при содействии сотрудников НЛП "Логус" (г.Москва), усовершенствована программа расчета концентраций загрязняющих веществ в водных объектах "Зеркало плюс". Программа использовалась для проведения прогнозных расчетов с целью выдачи рекомендаций по коррекции технологических режимов Горьковской станции аэрации и промышленных предприятий г.Н.Новгорода, имеющих выпуск сточных вод в р.Рахму, станции водоподготовки г.Кстово. При использовании программы службами наблюдения и контроля за качеством поверхностных водоисточников прогноз может выдаваться в оперативном режиме по мере внесения исходных данных. Для иллюстрации возможностей программы решена обратная задача прогнозирования - расчет максимально допустимых концентраций загрязняющих веществ в выпуске Горьковской станции аэрации и устье р.Рахмы для обеспечения нормативных показателей воды перед водозабором г.Кстово для паводка и летней межени 1996г.

В результате прогноза определены границы критического состояния качества водного объекта, выход за которые повлечет за собой необходимость принятия экстренных мер по изменению технологических режимов на сооружениях очистки городских и промышленных стоков и на станциях подготовки питьевой воды.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Сравнительная оценка точности существующих математических моделей прогнозирования качества поверхностных вод с учетом поступления стоков, проведенная автором на основе результатов натурных экспериментов, показала, что для крупной равнинной реки , например реки Волги, использование одной модели для оценки трансформации качества воды по всему живому сечению не обеспечивает требуемой точности результатов. Практические расчеты необходимо проводить с учетом гидрологических особенностей реки, как правило, отдельно оценивая качественные показатели воды для потоков, тяготеющих к правому и левому берегам.

2. При проектировании систем очистки и выпусков в водоемы городских и промышленных стоков рекомендуется проводить прогнозные расчеты по определению качества воды ниже выпусков с учетом реальных показателей извилистости реки, изменения глубины по ее поперечному сечению и по длине, значениям чисел Рейнольдса, относительным градиентам скоростей течения.

3. Автором разработаны методики прогнозирования качества поверхностных вод с учетом поступления стоков для участков реки, которые характеризуются числами Рейнольдса в диапазоне Ле < 0,5 ■ 106 и средними относительными градиентами скоростей течения в диапазоне Ду/ДЬ <0,05 [1/с], по двухмерной математической модели; для участков, которые характеризуются числами Рейнольдса в диапазоне Ие>0,5-Юб и средними относительными градиентами скоростей течения в диапазоне Ду/АЬ >0,05 [1/с], по одномерной модели.

4. На основании проведенной параметризации в математичекие модели введены значимые параметры и уточнены коэффициенты а, w, Ка, и, позволившие повысить точность методов расчета, не прибегая к усложнению основных расчетных уравнений.

5. Адекватность методов расчета проверялась на основе результатов натурных исследований и методов математической статистики.

6. Для удобства проведения проектных и исследовательских работ автором разработаны программы прогнозных расчетов на персональных компьютерах по определению качества речной воды с учетом поступления сточных вод.

7. Программы расчетов на ПЭВМ, разработанные автором, используются для проведения практических расчетов АО"Нижегородский САНТЕХПРОЕКТ", МЕГ'Водоканал", Исполнительной дирекцией федеральной целевой программы "Возрождение Волги".

8. Экономический эффект от внедрения результатов исследований автора в практику составляет 0,5 млрд. рублей/год (в ценах 1996г.).

Основное содержание работы отражено в следующих публикациях

1. Пархаев Ю.Г. Методы математического моделирования поверхностных водоисточников // Тез. докл. науч.-техн. конф. проф.-препод, состава НГАСА "Строительный комплекс - 96", - Н.Новгород, 1996.

2. Пархаев Ю.Г. Ретроспективный обзор наиболее распространенных на территории СНГ компьютерных программных продуктов, используемых для прогнозирования качества поверхностных водоисточников // Тезисы докл. на-уч.-техн. конф. проф.-препод. состава НГАСА "Строительный комплекс - 96", -Н.Новгород, 1996.

3. Пархаев Ю.Г. Математическое моделирование как метод прогнозирования качества поверхностных водоисточников // Математическое моделирование процессов очистки природных и сточных вод. Сборник научных трудов НГАСА и РААСН. Вып.1., -Н.Новгород. 1996.

4. Пархаев Ю.Г. Использование программных продуктов в прогнозировании качества поверхностных водоисточников // Математическое моделирование процессов очистки природных и сточных вод. Сборник научных трудов НГАСА и РААСН. Вып.1., -Н.Новгород. 1996.

5. Найденко В.В., Рязанов B.C., Пархаев Ю.Г. Практические расчеты по прогнозированию качества воды р.Волги на основе существующих математических моделей // Математическое моделирование процессов очистки природных и сточных вод. Сборник научных трудов НГАСА и РААСН. Вып.1., -Н.Новгород. 1996.

6. Корнилов С.Г., Пархаев Ю.Г., Шаргатова Г.А. Методы расчета по прогнозированию качества воды р Волги с учетом поступления стоков // Математическое моделирование процессов очистки природных и сточных вод. Сборник научных трудов НГАСА и РААСН. Вып.1., -Н.Новгород. 1996.

7. Основные положения федеральной экологической программы "Оздоровление экологической обстановки и повышение ресурсного и хозяйственного потенциала Волжского бассейна" ("Возрождение Волги"). НГАСА , -

Лицензия ЛР №020823 от 21.09.93

Подписано к печати . Бумага газетная, ф. 60x90 1/16

Печать офсетная. Объем 1,0 усл. печ. л. Тираж 100 экз. Заказ № Полиграфический центр Нижегородской государственной архитектурно-строительной академии, 603600, Нижний Новгород, Ильинская, 65.