3 Моделювання процесу концентрації домішок у воді та показників екологічного навантаження на водний об’єкт у зоні скидів техногенного стаціонарного джерела

Мета роботи – засвоїти методику та набути практичних навичок  

          розрахунку концентрації полютантів у водному об’єкті.  

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

Предмет дослідження – процес концентрації забруднюючих

          речовин у воді водного об’єкта.

Завдання – розрахувати  показники рівня концентрації домішок

         у воді водного об’єкта в зоні скидів стаціонарного джерела.  

Основні науково-теоретичні положення

Рівень забруднення водойми, тобто концентрація забруднюючих речовин у зоні скидів стічних вод, формується під впливом багатьох факторів. Наука стверджує, що формування величини рівня забруднення певною хімічною речовиною в конкретній точці залежить від таких груп факторів впливу: параметри джерела, параметри стічних вод, параметри вод водоймища. Зазначимо ще один – фактор часу, оскільки всі без винятку процеси відбуваються у просторі і часі.

Поле концентрації домішок у воді водного об’єкта в зоні скидів стаціонарного джерела зазнає безперервних змін під дією факторів впливу як у горизонтальному, так і у вертикальному напрямках. При цьому горизонтальна складова швидкості переміщення домішок у воді обумовлюється головним чином швидкістю горизонтальних течій. Вертикальна швидкість переміщення в кожен момент часу визначається різницею між швидкістю вертикального водного потоку і швидкістю осідання зважених твердих частинок у воді. 

Вектор цих швидкостей зумовлює траєкторію переміщення і форму поля забруднення та його рівень у кожній окремій точці простору водойми.

Розрахунок концентрації Ср полютанта у воді в розрахунковій точці контрольного створа водного об'єкта  здійснюється на базі урахування кратності розбавлення (n).

При цьому розрізняють два випадки: концентрація досліджуваної забруднюючої речовини в контрольному створі С=0, тобто у воді водного середовища ця речовина відсутня,  концентрація досліджуваної забруднюючої речовини в контрольному створі С>0, тобто наявний фон.

 Якщо в місці скидання стоків концентрація даної речовини   С=0, то концентрація цієї речовини в контрольному створі розраховується за такою залежністю 

       С = Сс / n,                                                                          (3.1)

де   Сс – концентрація речовини у стічних водах, г/м3;

       n – кратність разбавлення стоків у воді водойми.

Отже, у розрахунку С бере участь тільки концентрація речовини у стічних водах.

Зниження рівня концентрації домішки у воді може відбуватися за рахунок осадження речовин під дією сили тяжіння та за рахунок розбавлення стоків.

Розглянемо інший випадок, тобто коли в місці скидання стоків концентрація даної речовини С>0. Тоді концентрація цієї речовини в контрольному створі розраховується таким чином.  

 Зведена до однієї розмірності концентрація речовини у місці випуску стічних вод буде дорівнювати

         Спр = Сс - Св ,                                                                                                      (3.2)

де    Сс – концентрація речовин у стоці, г/м3;

       Св – концентрація речовини у водному об'єкті в місці скидання стоків, г/м3.

При виконанні розрахунків розбавлення користуються теж так званим зведеним значенням концентрації домішки Сд  у розрахунковій точці 

        Сд = Сн – Св ,                                                                      (3.3)

де Сн, Св – дійсна (фактична) концентрація до і після скидання стоків домішок у водний об’єкт, г/м3.

Встановлення характеру поширення домішок у воді і ступеня  розбавлення стійких хімічних речовин у воді є гідравлічною задачею. Її рішення дозволяє визначити концентрації домішок на будь-якій відстані від джерела (місця) випуску стічних вод.

Водотік.

Середнє розрахункове значення концентрації лімітуючої забруднюючої речовини Сл у водотоці (річці) нижче місця випуску стічних вод визначається з рівняння балансу речовини, яка обчислюється за формулою

 

        Сл = (Qр Cр + Qс Cс) /  (Qр +  Qс),                                       (3.4)

де Cр – концентрація речовини у воді річки в місці випуску, г/м3;

      Cс – концентрація речовини у стічній воді, г/м3;

      Qр – витрата води в річці, м3/с;

      Qс – витрата стічних вод, м3/с.

Розрахунок максимально можливої концентрації домішок у розрахунковому створі водного об'єкта на відстані L нижче від місця скидання стоків для максимально забрудненого струменя потоку річки (без урахування розташування цього струменя і без уточнення його форми і розмірів) виконується за формулою

 

       См = Ср + (Сс - Ср) ,                                    (3.5)

де   Ср – концентрація домішок в річці до випускання, г/м3;

       Сс – концентрація домішок в стоці, г/м3;

        L – відстань (довжина русла) від місця випускання до розрахункового створу, м;

        К – коефіцієнт урахування гідроумов змішування; 

        е = 2,71 –const.

Очевидно, що концентрація домішки в будь-якому розрахунковому створі нижче за випуск стоків змінюється у межах См≥ Сп ≥Ср≥ 0.

Середня концентрація розчиненого у воді кисню визначається з виразу

 Сn+1 = [Cр(Qn+1 + Qусл i – ) + 

         +  -  (1 - r i )] /

         / (Qn+1 + ) ,           (3.6)

де  Ср і Сi – концентрація кисню в чистій річковій воді і стічних водах [г О2 / куб.м];

        (1-ri) – питоме споживання кисню на біохімокиснення домішок, що скидаються із стічними водами, на 1 куб. м стоку за одну секунду [г О2 / куб.м];

       r i – коефіцієнт редукції забруднень на ділянці від місця скидання до розрахункового створу.

      Водойма.

Концентрація конкретної речовини у воді водойми за умови повного перемішування стічних вод обчислюється за формулою

         Свп =   ,                                                       (3.7)   

де   Q – об’єм водоймища (Qв)  і об’єм стоку (Qc) , м3;

       Qп -  втрати води у водоймищі без віднесення домішки (випаровування і т.п.) м3;

        С – концентрація речовини в стоці (Сс) і у водоймищі (Св) до випуску, г/м3.

У довільний момент часу (за умови повного перемішування стоку) концентрація домішки у водоймі визначається за формулою

        Свt  = Тв (СвQв + СсQс) / Qв ,                                              (3.8)

де   Тв – період часу повного обміну води у водоймі, доба;

       Qс, Qв – об'єм відповідно стоку і водоймища, м3;

       С – концентрація домішки в стоці і водоймі, г/м3.

Розглянемо питання оцінки екологічного навантаження на водне середовище. Такими показниками екологічного навантаження потоку консервативними речовинами слугує абсолютна і відносна величина забруднення.

При цьому розрізняють два випадки: концентрація досліджуваної забруднюючої речовини в контрольному створі С=0, тобто у воді водного середовища ця речовина відсутня, концентрація досліджуваної забруднюючої речовини в контрольному створі С>0, тобто наявний фон.

Так, якщо у воді водного об’єкта концентрація даної речовини Св=0, то абсолютний показник Са загального навантаження виражається концентрацією цієї речовини за умови балансу за формулою 

       Са =  ,                                                       (3.9)

де   Qр, Qc – витрата води у водному об'єкті і витрати стоку;

       Сс – концентрація речовини у стічних водах.

Величина Са у створі повного перемішування виражає фактичне значення концентрації домішки. Для створів, розташованих між місцем скидання стоків і створом повного перемішування, значення Са лише умовно характеризує середню концентрацію.

Показник Са дозволяє одержати повну характеристику навантаження потоку домішками протягом заданого періоду часу. Оцінку мінливості Са в часі можна подати як функцію забезпеченості Ро добових витрат води річки.

Якщо Qc=const і Сс=const, то забезпеченість, %, середньою концентрацією  дорівнює  

 

       Рсп  =  (100 – РQ) .                                                               (3.10)

Показник перевищення (неперевищення) забрудненості (Рзабр) води щодо норми (наприклад, санітарної норми ГДК) виражається забезпеченістю (Рзабр) стоку забрудненої води у конкретному створі річки.

Забезпеченість Рзабр розраховується за числом днів, необхідних для проходження через цей створ забруднених стічних вод стоку від місця його випускання.

Показник перевищення забрудненості щодо санітарної норми в певному конкретному створі водойми, який виражає забезпеченість так званого „чистого” стоку, дорівнює

      Рчис = 100 – Рзаг .                                                                        (3.11)

      Якщо у воді водного об’єкта концентрація даної речовини Св>0, то абсолютний показник загального навантаження виражається концентрацією цієї речовини за умови балансу за формулою 

      Сн =  .                                                      (3.12)

Показник відносного екологічного навантаження Кн водного об’єкта забруднюючою речовиною визначається виходячи із співвідношення величини середньої концентрації домішки з  гранично допустимим значенням  санітарної норми

 

       Кн  =     1 .                                        (3.13)

 

Якщо Кн>1, то така вода називається брудною.

Якщо Кн<1 - то умовно чистою. При Кн=1 маємо випадок гранично допустимого навантаження Кдоп водойма даним  полютантом.  

Отже, показники абсолютного та відносного навантаження забруднюючою речовиною оцінюють екологічний стан водного об’єкта за умови Св = 0 та Св > 0, а показник відносного екологічного навантаження водного об’єкта визначає якість його води.  

Алгоритм виконання роботи

1  Виписати вихідні параметри досліджуваного локального поверхневого водного об’єкта – річки (табл.3.1) та концентрації забруднюючої речовини ЗР у заданих створах  (табл.3.2) згідно з варіантом завдання та відповідно до нижченаведеної схеми.

 

 

2   Розрахувати середнє значення концентрації лімітуючої забруднюючої речовини Сл у річці на відстані 200 м нижче місця випускання  стічних вод (формула 3.4).

3   Розрахувати величину максимальної концентрації См домішки в розрахунковому створі водного об'єкта на відстані L=200 м нижче від місця скидання стоків для максимально забрудненого струменя потоку річки без урахування розташування цього струменя і без уточнення його форми і розмірів (формула 3.5).

4 Розрахувати значення концентрації Свп забруднюючої речовини у воді непроточного водоймища за умови повного перемішування стічних вод (формула 3.7).

5   Визначити значення концентрації Свt забруднюючої речовини у воді непроточного водоймища  у довільний момент часу за умови повного перемішування стоку (формула 3.8).  

Результати оформити згідно з нижченаведеною схемою. 

 

 

6  Розрахувати значення абсолютного показника загального навантаження Са у воді водного об’єкта за умови, що концентрація даної речовини Св=0 (формула 3.9).  

7   Розрахувати значення абсолютного показника загального навантаження Сн у воді водного об’єкта за умови, що концентрація даної речовини Св >0 (формула 3.12).  

8    Розрахувати значення показника К відносного навантаження  водного об’єкта забруднюючою речовиною (формула 3.13).  

9    Стисло проаналізувати одержані результати.

10   Сформулювати короткі висновки за  результатами роботи.

Результати оформити згідно з нижченаведеною схемою.  

 

       Таблиця 3.1 - Варіанти задання вихідних параметрів 

                                 поверхневого водного об’єкта 

Таблиця 3.2 - Варіанти задання вихідних даних концентрації С

забруднюючої речовини у стічній воді (стік) та вище місця

випуску на 200м (вище)

 

     Вимоги щодо оформлення результатів роботи

      Звіт повинен містити:

1    Вихідні дані згідно із заданим варіантом завдання.

2    Результати всіх послідовних розрахунків (пп.2 - 8).

3    Короткий аналіз  результатів розрахунків.

4   Стислі висновки щодо результатів роботи.

Питання для самоконтролю

1   Інтенсивність водообміну (проточності) у водоймі (формула).

2   Кратність розбавлення стоків у водоймі без течії (формула).

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

4    Кратність розбавлення стоків у річці (формула).        

5    Інтенсивність розбавлення стоків у водоймі (формула).   

6  Коефіцієнт перемішування стоків у водному об’єкті (формула).

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

8  Коефіцієнт турбулентної дифузії водойми без хвиль (формула).   

9 Коефіцієнт турбулентної дифузії водойми з хвилями  (формула).   

10   Коефіцієнт турбулентної дифузії річки без хвиль (формула).   

11  Коефіцієнт турбулентної дифузії річки з хвилями  (формула).   

12   Модель абсолютного показника загального навантаження Са у воді водного об’єкта за умови, що концентрація даної речовини Св=0 (формула).

13    Модель абсолютного показника загального навантаження Сн у воді водного об’єкта за умови, що концентрація даної речовини Св>0 (формула).

14  Модель показника К відносного навантаження  водного об’єкта забруднюючою речовиною (формула).

15    Модель концентрації лімітуючої забруднюючої речовини Сл у створі  річки нижче місця випуску  стічних вод (формула). 

16 Модель максимальної концентрації См домішки в розрахунковому створі водного об'єкту на відстані L нижче від місця скидання стоків для максимально забрудненого струменя потоку річки без урахування розташування цього струменя і без уточнення його форми і розмірів (формула).    

17   Модель концентрації Свп домішки у воді непроточного водоймища за умови повного перемішування стічних вод з водою водойми (формула). .  

18  Модель концентрації Свt домішки у воді непроточного водоймища у довільний момент часу за умови повного перемішування стічних вод з водою водойми (формула). .

19  Модель періоду Тв повного обміну води у водоймі для розрахунку повного перемішування стічних вод з водою всього об'єму водойми (формула).   

20  Модель зведеної до однієї розмірності концентрації домішки в контрольному створі, коли в місці скидання стоків концентрація цієї речовини С > 0 (формула).   

 21    Модель концентрації домішки в контрольному створі, якщо в місці скидання стоків концентрація даної речовини С=0  (формула).