1 Моделювання процесу розбавлення стічних вод  у воді водного об’єкта у зоні скидів техногенного стаціонарного джерела

Мета роботи – засвоїти методику та набути практичних навичок  

          розрахунку і моделювання процесу розбавлення стічних

          вод у воді водного об’єкта.  

Об’єкт дослідження  - локальний поверхневий водний об’єкт.

Предмет дослідження – процес розбавлення стічних вод у воді водного об’єкта.

Завдання – розрахувати  показники розбавлення  стічних  вод  у

          воді  водойми в зоні скидів стаціонарного джерела.  

Основні науково-теоретичні положення

Визначимося в основних термінах.

Гідросфера - це сукупність усіх вод  Землі (материкових, океанічних, атмосферних).

Забруднення гідросфери – внесення у водне середовище або утворення в ньому фізичних агентів, хімічних речовин чи організмів, які несприятливо впливають на середовище життя або завдають шкоди матеріальним цінностями.

Забруднення води – внесення хімічних речовин, фізичних агентів чи організмів, що несприятливо впливають на її якість.

Зона забруднення – частина водного середовища, в якій при надходженні забруднюючих речовин порушується природний вміст елементів або біохімічні чи біологічні процеси, а концентрація домішок перевищує природну.

Рівень забруднення – числове значення показника вмісту речовини у воді (концентрація).

Забруднююча речовина (полютант) – речовина, яка викликає порушення природної якості природних вод або норм якості водних ресурсів.

Пасивний полютант – це така забруднююча речовина, яка аж до випадання її з води в донні осадження не зазнає змін (тобто не вступає в хімічні реакції).

Джерело забруднення води – це об'єкт, який вносить у водне середовище забруднюючі речовини.

Стічні води – води, які були у виробничому, сільськогосподарському або побутовому використанні, а також води, які пройшли через яке-небудь забруднене середовище чи територію (зливні).

Якість води – ступінь відповідності її фізико – хімічних і біологічних характеристик потребам людини та технологічним вимогам. 

Небезпека забруднення – ступінь імовірності перебільшення природного або гігієнічно допустимого рівня вмісту шкідливих речовин у воді.

Небезпека екологічна – це реальна загроза виникнення несприятливих для людини (або живих організмів) наслідків у результаті впливу антропогенних факторів на водне середовище.

Фактор – причина, яка знаходиться в певному логічному зв'язку з наслідком.

Стік – об’єм води, який проходить через створ за деякий визначений проміжок часу.

Створ – переріз русла водойми у місці дослідження.

Витрати води – об’єм води, який проходить за одиницю часу через створ.

Усі водні об’єкти можна розділити на два типи: протічні (водотоки)  та непротічні (водойми).

Основною метою класифікації водних об’єктів є встановлення категорій і класів водойм та водотоків за їх природними особливостями.

В основу розподілу водних об’єктів  (водотоків і водойм) покладені режимні і морфометричні особливості цих об’єктів. Критеріями для них виступають типові для них ознаки, які безпосередньо визначають умови формування якості і кількості води в них.

Для водотоків (річки, канали, струмки, ручаї тощо) використовують такі характеристики: географічна зона, пора року, період дії водотоку, характер межені періоду, наявність пересихання, перемерзання, льодоставу, площа водозбору, витрати води, швидкість течії, коливання рівня води, температура води.

Для водойм (озера, ставки, водосховища) використовують такі характеристики: площа дзеркала, об’єм, максимальна глибина, коливання рівня, температура води, тривалість льодоставу, водообмін, вертикальна циркуляція, стратифікація. Зауважимо, що створення водосховищ на річках викликає в них зміну гідрохімічного режиму і якості води в них у порівнянні з водою річки, на якій вони споруджені.

Забруднення води може відбуватися такими шляхами: при скиді стічних вод (зливних стоків); при проходженні води через забруднення (мінералізовані) ділянки землі (ґрунту); при випадінні забруднюючих речовин із атмосфери.

Усі джерела скидів стоків можна розподілити (умовно) на такі види: промислові, сільськогосподарські, соціально-побутові, природні.

Джерела забруднення водних об’єктів можна розрізняти за їх типами: стаціонарні, нестаціонарні, організовані, неорганізовані, постійні, сезонні.

Зона активного забруднення - це та частина водного середовища, в якій при надходженні домішок порушуються природні біохімічні або біологічні процеси, а концентрація цієї домішки перевищує нормативно-санітарні чи іншим показники.

Зона впливу – це частина водного середовища, в яку потрапляють стічні води із зони активного забруднення або ж безпосередньо із скиду стічних вод, але в якій внаслідок невисокої концентрації домішки або ж короткочасності забруднення в ній зберігається природний характер біологічних і біохімічних процесів.

Проте, незважаючи на те, що в середньому концентрація домішки в цій зоні не перевищує ПДК (норму), в ньому можуть спостерігатися окремі локальні об’єми порівняно сильно забрудненої води.

Небезпека забруднення водного середовища – це ступінь вірогідності перевищення природного чи санітарно допустимого рівня вмісту речовин у воді.

Мінералізація води – вміст у воді мінеральних речовин у розчиненому вигляді.

Розглянемо процес водообміну у непроточній водоймі  водного середовища. У загальному випадку водойми живляться за рахунок притоку води. Так, у випадку водосховища – за рахунок рік, на яких вони створені.

Між середньою мінералізацією води у водоймі Св і мінералізацією води в річці притоку Ср, яка її живить, при будь-якому водообміні (n) існує залежність

        Св / Ср = 0,99 – 0,26 / n .                                                (1.1)

Це дозволяє розрахувати очікувану мінералізацію водосховища для заданих значень Св і n.

Мінералізація води є основним показником якості води.

Основний вплив на показник мінералізації води здійснюється за рахунок кратності Кв водообміну (інтенсивності, ступіня проточності) у водоймі 

        Кв = Qв /Qс ,                                                                       (1.2)

де  Qв – об’єм водосховища;

      Qс - річний стік (притік) води.

Тому чим більша кратність Кв водообміну (Кв >>1), тим менші зміни в режимі мінералізації водного об’єкта відносно води рік, що живлять цю водойму.

Якість води в різних водних об’єктах (річках, водоймах, водосховищах, морях і т. д.) залежить від типу водного об’єкта, його гідрологічного режиму, а також виду і об’єму надходження стічних вод та домішок. Зауважимо, що зміна якості води у водосховищі обумовлена як коливаннями водного режиму, так і біологічними внутрішніми процесами цієї водойми.

Поширення домішки у воді (поширення в просторі і часі, перенесення на деяку відстань) в зоні скидів техногенного джерела відбувається відповідно до законів матеріального світу залежно від чинників, що впливають на перенесення домішки в зоні джерела забруднення води. Усі умови впливу можна умовно розділити на декілька груп факторів впливу: параметри джерела; параметри стічних вод; параметри вод водоймища.

Розглянемо процес розбавлення стічних вод у непроточній водоймі  водного середовища.

Розбавлення – це процес зменшення вмісту домішки у водному об’єкті (водоймі, річці і т. д.) з віддаленістю від місця випуску стоків, викликаний перемішуванням стічних вод із водним середовищем, в яке вони випускаються.

Для водойм кратність розбавлення стоків розраховуються за формулою

           nв = (KсQв  + Qс)/Qс ,                                                   (1.3)

де Kс – коефіцієнт змішування;

     Qв – об’єм  водойми;

     Qс – об’єм стоку.

Зрозуміло, що в місці випуску кратність розбавлення дорівнює одиниці (nв =1). З віддаленням від місця випуску в розбавленні стоку бере участь все більший об’єм води даної водойми, і кратність розбавлення збільшується.

У граничному випадку, коли в процесі розбавлення бере участь весь можливий для даної водойми об’єм води, настає повне перемішування стічних вод з водою цієї водойми.

Показник кратності розбавлення об’єму стоку в об’ємі   водойми є універсальною характеристикою. Він показує, у скільки разів у розрахунковому створі збільшився об’єм  води, що бере участь у розбавленні стоку, стосовно первинного об’єму стічних вод.

Об’єм  води – це абсолютна іменована фізична величина, тобто результат виміру чи розрахунку.

Кратність – відносний показник, тобто результат співвідношення двох величин, тому він є безрозмірним (відностим). Це екстенсивний показник характеристики відношення частини сукупності до чисельності всієї сукупності. Він характеризує рівень явища кількісно з точки зору  участі об’ємів стоку і водойми.

Вміст домішки у воді визначається концентрацією.

Концентрація конкретної забруднюючої речовини у стічних водах і у воді водойми, як правило, відрізняється. Від її величини залежить швидкість зниження вмісту домішки у воді. Тому, крім кратності розбавлення стоків, процес розбавлення характеризується ще й показником інтенсивності процесу розбавлення стічних вод. 

Інтенсивність процесу розбавлення стічних вод у водоймищі без течії кількісно характеризується показником інтенсивності розбавлення за формулою

        nвс =  ,                                                                                    (1.4)

де Сс - концентрація конкретної забруднюючої речовини у стічних водах, г/куб.м;

     Св - концентрація даної речовини у водоймищі до випуску стоків, г/куб.м;

     Сн – концентрація даної речовини в розрахунковому перетині нижче місця випуску стоків, г/куб.м.

Інтенсивність процесу розбавлення стічних вод у водоймищі характеризує, як знизилася концентрація даної речовини у водоймищі в розрахунковому створі стосовно її концентрації у стічній воді.

Концентрація речовини у воді – це якісний іменований показник фізичної величини.

Інтенсивність – відносна величина, результат співвідношення двох величин, що характеризує відношення чисельності однієї самостійної сукупності до чисельності іншої теж самостійної сукупності. Він характеризує рівень поширення явища (якості, швидкості перебігу процесу) в середовищі  кількісно з точки зору  впливу  концентрації стоку і водойми.

Розглянемо тепер процес розбавлення стічних вод у проточному водному середовищі.  

При моделюванні процесу розбавлення стічних вод у проточному водному середовищі (потоці, річці, каналі), кратність розбавлення стоків в річці обчислюється за формулою

          nр =  ,                                                       (1.5)

де  Qр - річкова витрата, 95% забезпеченості, куб.м/с;

      Qс - витрата стоків, куб.м/с;

      Кс - коефіцієнт змішування.

Цей показник характеризує, у скільки разів у створі річки на деякій відстані від місця випуску нижче за течією збільшився об’єм  води, що бере участь у розбавленні стоку, у порівнянні з первинним об’ємом стічних вод.

 У загальному випадку інтенсивність процесу розбавлення стічних вод в річці кількісно характеризується показником інтенсивності розбавлення за формулою 

           nрс  =  ,                                                                                   (1.6)

де Сс  - концентрація конкретної речовини в стоці, г/куб.м;

     Ср - концентрація цієї речовини в річці в місці випускання стоку, г/куб.м;

     См - максимально можлива концентрація даної речовини в розрахунковому створі річки, г/куб.м.

Інтенсивність процесу розбавлення стічних вод у потоці характеризує зниження концентрації даної речовини у розрахунковому створі на деякій відстані від місця випуску нижче за течією відносно її концентрації у стічній воді.

Отже, під розбавленням води розуміють процес зниження концентрації домішки, який входить до складу стічних вод, за рахунок перемішування з водою водного об’єкта.

Облік розбавляючої спроможності водного середовища  базується на гідрологічних даних водного об’єкта та на його самоочищувальної здатності, дозволяє встановити режим скиду забруднюючих стоків у цю водойму та оцінити допустиму кількість стоків (критичне екологічне навантаження). При цьому враховують також природний стік та хімічний склад як водного середовища, так і стічних вод.

Коефіцієнт перемішування води стоку з водою водного об’єкта (водойми, водотоку) показує, яка частина об’єму води водойми чи витрати води річки перемішується із стічними водами.

Він розраховується у тому випадку, коли стічні води у розрахунковому створі розповсюджуються не по всій ширині.

Коефіцієнт перемішування визначається за виразом

 

         Кз =                                            (1.7)

 

 або   Кп = [ 1 – exp (-к)] / [ 1 + ] ,

 де  Qв – об’єм води у водоймі або витрати води в річці;

       Qc – об’єм (витрати) стічних вод;

        L – довжина русла по фарватеру від випуску стоків до розрахункового створу;

        К -  коефіцієнт гідроумов перемішування;

        е = 2,71.

Коефіцієнт гідроумов визначається за виразом

       К = Км Кр  ,                                                    (1.8)

де  Км – коефіцієнт урахування місцеположення випуску стічних вод у водне середовище (для берегового випуску Км =1, а для випуску у створі русла Км = 1,5);

      Кр – коефіцієнт звивистості русла;

      Дт – коефіцієнт турбулентної дифузії;

      Qс – об’єм (витрати) стоку.

Коефіцієнт звивистості русла визначається відношенням

  Кр = L / Lm ,                                                                 (1.9)

де L – довжина русла по фарватеру від місця випуску до розрахункового створа;

      Lm – мінімальна відстань по прямій між цими створами.

Для водойм кратність n розбавлення і коефіцієнт Кп перемішування між собою пов’язані залежністю

    Кп = (n - 1) Qc / Qв .                                                    (1.10)

Період повного обміну води у водоймі, необхідний для повного перемішування стічних вод з водою всього об'єму водоймища, розраховується за формулою 

 

       Тв = Qв / (Qв  + Qс – Qп) ,                                           (1.11)

де   Qв – об'єм водойми (витрати води в річці);

       Qс – об'єм стоку (витрати води в річці);

       Qп – втрати об'єму води без винесення домішки.

Алгоритм виконання роботи

1  Виписати вихідні параметри досліджуваного локального поверхневого водного об’єкта – річки (табл.1.1) та концентрації забруднюючої речовини ЗР у заданих створах  (табл.1.2) згідно з варіантом завдання та відповідно до нижченаведеної схеми.

 

 

2   Розрахувати коефіцієнт К3 перемішування на відстані 200 м нижче місця випуску стоків (формули 1.7 - 1.9). Коефіцієнт дифузії Др = 8 ∙ 105  куб.м / добу.

3 Розрахувати кратність розбавлення nр стоків у розрахунковому створі річки (ф. 1. 5). 

4 Розрахувати інтенсивності розбавлення nрс стоків у розрахунковому створі річки за умови См = Сн (ф.1.6).

5     Розрахувати показник співвідношення Кс (ф.1.10).

6     Розрахувати період повного обміну води Тв  (ф.1.11).

7    Стисло проаналізувати одержані результати.

      Сформулювати короткі висновки за результатами даної роботи.

Результати оформити згідно з рекомендаціями табл. 1.3.  

 

 

   Таблиця 1.1 - Варіанти задання вихідних параметрів 

                           поверхневого водного об’єкта 

  Таблиця 1.2 - Варіанти задання вихідних даних концентрації С

  Забруднюючої  речовини  у  стічній  воді (стік),  вище  місця

  випускання на 200м (вище), нижче місця випускання на 200 м (нижче) 

    Таблиця 1.3 – Рекомендована схема оформлення результатів

                                         розрахунку  

 

 

     Вимоги щодо оформлення результатів роботи

      Звіт повинен містити:

1   Вихідні дані згідно із заданим варіантом завдання.

Результати всіх послідовних розрахунків (пп.2 - 4) згідно із схемою (табл. 1.4).

Короткий аналіз  результатів розрахунків.

Стислі висновки щодо результатів роботи.

 

Питання для самоконтролю

1    Визначити поняття „гідросфера”.

2    Визначити поняття „полютант”.

3    Визначити поняття „мінералізація води”.

4    Визначити поняття „якість води водного середовища”.

5    Визначити поняття „забруднення водойм”.

6 Визначити поняття „джерело забруднення водного середовища”.

7 Визначити поняття „рівень забруднення водного середовища”.    

8    Визначити поняття „небезпека забруднення атмосфери”.

9    Визначити поняття „зона забруднення водного об’єкта”.

10   Визначити поняття „витрати води”.

11   Визначити поняття „стічні води”.

12   Визначити поняття „стік води”.

13 Визначити поняття „розбавлення стоків у воді водного об’єкта”.     

14   Перелічити види джерел забруднення водного середовища. 

15  Перелічити шляхи надходження забруднюючих речовин у водне середовище. 

16   Класифікація водних об’єктів.

17 Перелічити фактори впливу на поширення забруднюючих речовин у воді водного об’єкта. 

18  Модель інтенсивності водообміну (проточності) у водоймі (формула).

19   Модель кратності розбавлення стоків у воді водойми без течії (формула).  

20   Кратність розбавлення стоків у водоймі за наявності течії (формула). 

21   Модель кратності розбавлення стоків у річці (формула).        

22   Модель інтенсивності розбавлення стоків у воді водойми (формула).    

23   Модель коефіцієнта перемішування стоків у водному об’єкті (формула). 

24 Залежність між коефіцієнтами перемішування і кратності розбавлення стоків у воді водойм (формула).