4 Моделювання балансу полютантів у воді водного об’єкта та динаміки забруднення

 Мета роботи – засвоїти методику та набути практичних навичок  

           розрахунку параметрів балансу полютантів у воді та

           динаміки забруднення водного об’єкта.  

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

Предмет дослідження – процес балансу забруднюючих

          речовин у воді водного об’єкта.

Завдання – розрахувати  показники балансу забруднюючих

          речовин у воді та динаміки забруднення водного об’єкта. 

Основні науково-теоретичні положення

Умови, які впливають на баланс забруднюючих речовин у водному середовищі, розглянемо на базовому прикладі моделі балансу забруднюючих речовин. За її допомогою є можливість прогнозувати динаміку забруднення водного середовища. Це дозволяє розробляти рекомендації для оптимального режиму  скидів і визначати рівні гранично допустимого навантаження на водний басейн або об’єм скидів для певної асиміляційної місткості водного об’єкта.

Якісно баланс забруднюючих речовин для водного об'єкта в цілому може бути виражений такою схемою 

 

       ∆С = (Сб + Ср + См + Св + Сг + Са) –

            –  ( +  +  +  + ),                                 (4.1)

де  ∆С – приріст концентрації забруднюючої речовини за час ∆t;

      Сб – скидання з берега;

      Ср – винесення річковим стоком;

       См – скидання безпосередньо в море (з суден, естакад і т. п.);

      Св і  -  припливу і відпливу при водообміні;

       - розкладання хімічне;

       – розкладання біохімічне;

      Са і  – приплив і відплив на межі фаз вода - повітря;

      Сг і  – приплив і відплив на межі фаз вода - ґрунти.

Збереження нормального стану водного середовища вимагає виконання умови

              0 ≤ С ≤ ГДК   і  ∆С≤ 0,                                                  (4.2)

де ГДК – гранично допустима концентрація речовини у воді.

Загальну модель розрахунку динаміки забруднення можна подати у вигляді рівняння для розрахунку середньої концентрації забруднюючих речовин у створі на момент часу (t+1):

       Сt+1 = Ct + ∆С,   де  ∆С = Mt+1 / Vt+1 - Mt / Vt ,                     (4.3)

де   Ct і Сt+1 – концентрація речовини в моменти t і (t+1);

      Mt і Mt+1 – маса речовини на моменти t і (t+1);

      Vt  і  Vt+1 – об'єм моря  на  моменти t і  (t+1).

Подамо рівняння в такому вигляді: 

 

        Сt+1 = Ct (1 - ) +  ,                                                   (4.4)

де   - прирости маси речовини;               

        - приріст об'єму моря.

Перший член правої частини рівняння враховує зміни об'єму внутрішнього моря за рахунок зменшення річкового стоку. При цьому вираз

       (1 -  / )  1                                                         (4.5)

прагне (наближається) до  одиниці.

Тому  в цьому випадку маємо

        Сt+1 = Ct +  .                                                            (4.6)

Такий вигляд має одна з простих моделей оцінки стану водного середовища. 

Рівняння балансу можна виразити через зміну маси полютантів за розрахунковий період t = tn – t0   

        ∆М =  -  ,                                                             (4.7)

де     – маса надходження (припливу) полютантів;

         -  маса витрати полютантів.

Маса кожного з полютантів може змінюється з часом на величину

         ∆Мt =  - ,                                                        (4.8)

де   - маса полютантів через проміжок часу (t = tкін – tпоч);

       - початкова маса полютанта в початковий момент tпоч.

Швидкість надходження забруднюючих речовин за одиницю часу буде дорівнювати

         Wt =  Мп / t ,                                                                 (4.9)

 Одночасно з надходженням речовин відбувається їх розпад, перехід в грунти, атмосферу, а при водообміні і в сусідні акваторії. Кожен з цих процесів характеризується своїм коефіцієнтом швидкості Kv.

Якщо взяти їх значення постійними за проміжок часу t, то їх сума дорівнює  і.  У такому випадку баланс домішок можна описати диференціальним рівнянням  

       dM = Wt dt -  .                                                          (4.10 а)

Після інтегрування одержимо

       Мt = Wt /  - (Wt / - ) .                      (4.10 б)

При постійних значеннях Wt і t маса Мt асимптотично прагне до величини Wt / Мt і досягає кінцевого сталого значення з деяким запізненням, яке характеризується членом рівняння Wt (-ехр(-)) і визначає динамічні властивості процесів, що відбуваються. Шляхом розкладання в ряд рівняння балансу домішок зводиться до такого вигляду

      Мt = +   .                                   (4.10 в)

Ця формула використовується для розрахунку балансу забруднюючих речовин при виконанні таких умов:

- розрахунок проводиться за середньоваговими концентраціями речовин і середньомісячними температурами водного середовища;

- розрахунок проводиться  при рівномірному надходженні стоків у часі;

- потік полютантів на нижній межі береться пропорційно вертикальному градієнту концентрацій і здійснюється в сезони розвитку вертикальних конвекцій, а поле забруднення безперервне і однорідне.

 Отже, рівняння балансу речовин у водному об'єкті остаточно має вигляд

      Мt = +  ,                                        (4.11)

де  М 0 - маса речовин у воді в початковий момент часу;

      Мt  - маса речовини у воді через проміжок часу;

      Wt  - швидкість надходження речовини у воду, г/с;

      ∑К - узагальнений коефіцієнт урахування швидкості процесів убування речовини;

       - період часу  = поч – кін  . 

Розглянемо питання нормування якості води.

Вимоги до якості води (нормування) такі. Перш за все нормативні документи висувають до якості води жорсткі вимоги.

Метою цих вимог є попередження і усунення існуючого забруднення стічними водами річок, озер, водосховищ, ставків, каналів і т.д., які використовуються для господарсько-питного водопостачання, культурно - побутових потреб населення, а також для рибогосподарських цілей.

 Диференційовані вимоги до складу і властивості води для кожного виду водокористування та вказані принципи обов'язковості захисту всіх водокористувачів.

У випадках одночасного використання водойм для різних потреб слід виходити з жорсткіших вимог нормативів якості води.

Санітарні вимоги щодо стану водойм зводяться до виконання умови

          / ГДКi) ≤ 1 ,   i =   ,                              (4.12)

де     - концентрація i-ї речовини в розрахунковому створі;

        ГДКi – гранично допустима концентрація.

Умови скидання стічних вод у водоймища визначаються з урахуванням  ступеня можливого змішування. При цьому склад і властивості води водного об'єкта (річки, водоймища) повинні відповідати нормативам в створі, розташованому на відстані 1 км від найближчого пункту водокористування.

Ознайомимося з методикою розрахунку допустимої концентрації в стічних водах розчинених шкідливих речовин. Концентрація кожної з розчинених речовин в очищених стічних водах Со визначається за формулою 

         Со  n (ГДКмах - Св ) + Св ,                                           (4.13)

де  ГДКмах – максимально допустима концентрація i-ї речовини з урахуванням максимальної концентрації і ГДК усіх речовин, що належать до однієї групи лімітуючого показника шкідливості ЛП: санітарно-токсикологічного, органолептичного, загально-санітарного, а для рибо- і господарських водойм ще токсикологічний і рибогосподарський;

       Св – концентрація i-ї речовини у воді вище за скидання.

Визначимо допустимий склад стічних вод за концентрацією зважених речовин, тобто такий, що не порушує вимог санітарної безпеки.

Допустиму концентрацію зважених речовин в очищених стічних водах визначають за формулою  

 ,                                               (4.14)

де   - концентрація зваженої речовини у воді до скидання стічних вод;

       ГДКзв - гранично допустима концентрація зваженої речовини;

        - кратність розбавлення стічних вод у воді водоймища, що характеризує частку витрати води водоймища, що бере участь у процесі перемішування і розбавлення  стічних вод.

Визначимо допустиму кількість стічних вод, що не порушують норм санітарної безпеки.

  Залежно від співвідношення витрати стічних вод і витрати водотоку річки або об'єму водойми з урахуванням хімічного складу і інтенсивності процесів їх розбавлення і самоочищення води, у водні об'єкти може бути скинуто різну кількість стічних вод за один часовий період. При цьому гранично допустимий об'єм стічних вод, який можна допустити без порушення регламентів, залежить від норм якості води.

 При здійсненні фізико-хімічного і біологічного очищення стоків лімітуючими показниками якості води служитимуть вміст розчиненого кисню і повна біохімічна потреба в кисні БПКпов.

Допустима (гранично можлива) кількість стоків, що скидаються в річку, оцінюється за виразом

 

      Qсп   ,                (4.15)

 

де  – витрата води в першому розрахунковому створі () нижче за створ скидання , м3/с;

       - витрата води, що забирається з річки, м3/с;

       - витрата скидів у річку умовно чистої води, м3/с;

       - витрата скидів стоків у річку вище створа випускання стоків , м3/с;

      Б – значення БПКповн  для незабрудненої ділянки річки , для стоків , гранично допустиме в розрахунковому створі ;

       Ку – коефіцієнт урахування надходження стоків;

       Кб – коефіцієнт урахування природного процесу окиснення стоків на ділянці від місця скидання до розрахункового створу.

 Таким чином, кількість вод, що скидаються, залежить від витрати води у водотоці, яке визначає його розбавляючу здатність.

У той самий час відбір вод із річки може привести до зміни самоочищуючої здатності річки і викликати екологічне перевантаження водного об'єкта.

Коефіцієнт урахування процесів біохімічного окиснення стоків (коефіцієнт самоочищення) визначається за формулою 

               Кб = ,                                                           (4.16)

де К – константа швидкості біохімічного окиснення при температурі води t ;

      Т – період часу проходження води від створу випускання  стоку до розрахункового створу (час добігання), доба.

 Значення константи швидкості самоочищення води можна обчислити за формулою 

         К = Кt  · 1,047 (t - 20),                                        (4.17)

де  Кt – константа швидкості самоочищення водного об'єкта при температурі t = 20  (коефіцієнт неконсервативності речовин);

        t – температура води, .

Отже, розглянуті моделі дозволяють досить успішно контролювати та регулювати екологічний стан водних об'єктів.

 

Алгоритм виконання роботи

1  Розрахувати параметри (масу Мо досліджуваної речовини у воді в початковий момент часу, масу  надходження речовини, масу  витрати речовини тощо, використовуючи результати попередніх завдань).

         Заповнити таблицю вихідних даних для даного досліджуваного водного об’єкта згідно з варіантом завдання та відповідно до нижченаведеної схеми.

 

 

 

 

 

2   Розрахувати баланс маси полютантів за розрахунковий період   t = tn – t0    (формула 4.7).

3    Розрахувати швидкість надходження забруднюючих речовин за одиницю часу (формула 4.9).

4   Розрахувати  масу Мt досліджуваної речовини у даному водному об'єкті в кінцевий момент tn  розрахункового періоду t за умови  = 0,044  (формула 4.11).

Результати оформити згідно з нижченаведеною схемою.

   

5  Розрахувати допустиму Qсп (гранично можливу) кількість стічних вод, тобто гранично можливу, що ще не порушують норм санітарної безпеки при скиданні в річку (формула 4.14).

6   Розрахувати  концентрацію Со розчиненої в очищених стічних водах досліджуваної речовини  (формула 4.15).

7   Стисло проаналізувати одержані результати. Сформулювати короткі висновки за  результатами роботи.

Результати оформити згідно з нижченаведеною схемою.

 

 

     Вимоги щодо оформлення результатів роботи

      Звіт повинен містити:

1    Вихідні дані згідно із заданим варіантом завдання.

2    Результати всіх послідовних розрахунків (пп.2 - 6).

3    Короткий аналіз  результатів розрахунків.

4   Стислі висновки щодо результатів роботи.

 

 

 

 

Таблиця 4.1 - Варіанти задання вихідних даних концентрації С

забруднюючої речовини у стічній воді (стік) та вище місця

випускання на 200м (вище)

 

 

 

       Таблиця 4.2 - Варіанти задання вихідних параметрів 

                                 поверхневого водного об’єкта 

 

 

 

   Таблиця 4.3 - Значення коефіцієнта Кн  неконсервативності

                                  при 0 ,  c-1    

 

       Таблиця 4.4 - Значення константи розкладання Кv

    

    Таблиця 4.5 – Значення коефіцієнта  неконсервативності 

              речовин   Кt   при температурі 20 води,   доба-1   

 

  Таблиця 4.6 -  Значення коефіцієнта неконсервативності К20

  (швидкість розкладання) речовин при температурі 20, добу-1

Питання для самоконтролю

1    Перелічити параметри, що обумовлюють схил водної поверхні русла.  

2  Перелічити параметри, що забезпечують кратність розбавлення стоків у водоймі без течії.

3 Перелічити параметри, що забезпечують інтенсивність водообміну (проточності) у водоймі  без течії.

4   Назвати параметри, що забезпечують перемішування стоків у воді.

5   Назвати параметри, що забезпечують кратність розбавлення стоків у воді.

6 Назвати параметри, що забезпечують інтенсивність водообміну (проточності) у водоймі за наявності течії.

7   Назвати параметри, що забезпечують перемішування стоків у воді.

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  Рівняння загальної моделі Сt+1  динаміки забруднення води у створі на момент часу t+1 (формула). 

16   Рівняння балансу маси  полютантів за розрахунковий період t=tn–t0   (формула).  

17  Швидкість Wt надходження забруднюючих речовин за одиницю часу  (формула).   

18   Рівняння балансу Мt речовин у водному об'єкті (формула). 

19  Допустима концентрація Сзвдоп зважених речовин в очищених стічних водах (формула).   

20   Допустима кількість стоків, що скидаються в річку  Qсп (формула).

21   Допустима концентрація розчинених речовин в очищених стоках Со (формула).