Гидравлические процессы формирования качества воды
Вода является той физической средой, в которой водная экосистема осуществляет круговорот вещества и энергии. Кроме того, для консервативных веществ гидравлические процессы являются единственными из внутриводоемных, влияющими на их концентрацию. При расчете переноса веществ и тепла потоками природных вод обычно исходят из представления о пассивности примеси, то есть предполагают, что наличие примеси не оказывает влияния на движение воды и интенсивность перемешивания. Характер переноса вещества потоком зависит от вида движения жидкости, который в свою очередь определяется типом водного объекта и его гидравлическими характеристиками. В водотоках существенную роль в формировании качества воды играет конвективный перенос. Для водоемов этот процесс характерен только при наличии ярко выраженных стоковых течений (водохранилища, проточные озера). В этом случае ход внутриводоемных процессов во многом определяется степенью проточности водоема. Количественной характеристикой степени проточности является время водообмена, т.е. период, за который происходит полная замена воды водоема водами притоков. Чаще всего в инженерной практике используется понятие условного времени водообмена:
Раздел 3. Водная среда города 115
где W — объем водоема, м3; Qeыm— расход вытекающей из водоема воды, м3/год. Условное время водообмена определяет период водообмена при отсутствии смешения вод притоков с водой водоема. В реальных условиях в проточных водоемах происходит не только вытеснение воды, но и частичное (или полное) перемешивание вод притоков с водой водоемов, поэтому реальное время водообмена больше, чем условное. Реальные водотоки являются безнапорными турбулентными потоками, движение воды в которых в установившихся условиях имеет неравномерный характер. Это объясняется непризматическим характером русл реальных водотоков. Однако расчетные зависимости для неравномерных потоков достаточно сложны и неудобны в практическом использовании. Поэтому в инженерно-экологических расчетах принимают, что на отдельных участках водотоков движение воды имеет равномерный характер. При этом участок естественного неправильного русла заменяют каким-либо призматическим, а уклон дна принимают равным уклону свободной поверхности или осредненному уклону дна реального русла. В этом случае для переноса вещества потоком могут быть использованы достаточно простые методы на основе уравнения неразрывности и формулы Шези. Более сложной задачей является учет эффекта турбулентности. Отличительной чертой турбулентного режима течений является пульсация скоростей, то есть непрерывное их изменение в каждой точке потока по величине и направлению. Основными источниками возникновения турбулентности являются зоны разрыва скоростей, то есть такие области, где наблюдается резкий скачок скоростей между прилегающими слоями жидкости. Пульсационное движение обусловливает обмен между соседними слоями жидкости. Этот процесс получил название турбулентного перемешивания. Турбулентное перемешивание всегда направлено на выравнивание концентраций или температур. Поскольку этот процесс по своему результату аналогичен процессу молекулярной диффузии, то турбулентное перемешивание называют также турбулентной диффузией. От молекулярной диффузии этот процесс отличается природой (источник молекулярной диффузии — тепловое движение молекул, а турбулентной — пульсации скоростей) и масштабом (масштаб молекулярной диффузии порядка 10-8м, а турбулентной — порядка сантиметров). Количественные закономерности переноса вещества турбулентным потоком описываются с помощью полуэмпирического уравнения турбулентной диффузии:
где С — концентрация вещества, г/м3; vx, vy, vz — проекции средней скорости на оси координат, м/с; Dx, Dy, Dz, — значения коэффициентов турбулентной диффузии, м2/с; х — координата, направленная вдоль оси потока; у — координата, направленная поперек потока; z — координата, направленная от дна к поверхности.
116 Экология города Приведенное уравнение описывает закономерности турбулентного переноса вещества при неустановившемся режиме течения для любых типов водных объектов. Использование этого уравнения для конкретных типов водных объектов обычно сопровождается его упрощением за счет отбрасывания малозначащих членов. Например, для нешироких водотоков уравнение турбулентной диффузии сводится к виду:
Это уравнение получило название уравнения продольной дисперсии, а входящий в него коэффициент D называют коэффициентом продольной дисперсии. Его величина определяется на основе экспериментальных данных или по эмпирическим формулам. Концентрация С и скорость v интерпретируются как средние по живому сечению потока значения. Турбулентная диффузия приводит к перемешиванию загрязненных струй жидкости со смежными, более чистыми. Результатом этого процесса является разбавление сточных вод основным потоком. Разбавление действует одинаково как на консервативные, так и на неконсервативные вещества. Интенсивность и характер перемешивания сточных вод с водой водных объектов зависит от гидравлических характеристик водного объекта, количества и способа поступления сточных вод. Способ поступления сточных вод определяется типом выпуска. Наименее эффективными с точки зрения разбавления являются береговые выпуски. Более эффективны русловые выпуски. Они представляют собой трубопроводы, выводимые непосредственно в русло в местах наиболее интенсивного течения. Трубопровод оканчивается одним или несколькими оголовками. Наиболее эффективным типом руслового выпуска является рассеивающий выпуск. Он представляет собой трубу-распределитель, имеющую несколько оголовков, расположенных вдоль трубы. Для количественной оценки процесса разбавления используют различные методы. К числу наиболее употребляемых относятся метод Фролова-Родзиллера — для водотоков, метод Руффеля — для водоемов и метод Кара-ушева, имеющий универсальный характер. Метод Фролова-Родзиллера дает возможность определить концентрацию вещества в максимально загрязненной струе на заданном расстоянии от выпуска сточных вод по формуле:
где Стах — концентрация вещества в максимально загрязненной струе, г/м3; Сф — концентрация вещества в воде выше выпуска сточных вод (фоновая концентрация), г/м3; Сст— концентрация вещества в сточной воде, г/м3; п — кратность разбавления сточных вод на заданном расстоянии от выпуска.
Раздел 3. Водная среда города 117 Кратность разбавления сточных вод определяется как произведение основного и начального разбавления: п = по • пн , где п — кратность разбавления, по — кратность основного разбавления, пн — кратность начального разбавления. Кратность основного разбавления определяется по методу Фролова, кратность начального разбавления — по методу Лапшова. Метод Руффеля используется для оценки разбавления сточных вод, сбрасываемых через углубленные сосредоточенные выпуски в водоемы с преобладающим ветровым течением. Метод Караушева базируется на уравнении турбулентной диффузии. Он позволяет получить пространственную картину распределения концентрации для любых типов водных объектов.
Ви переглядаєте статтю (реферат): «Гидравлические процессы формирования качества воды» з дисципліни «Екологія міста»
