3 Моделювання процесу концентрації домішок у воді та показників екологічного навантаження на водний об’єкт у зоні скидів техногенного стаціонарного джерела
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 скидівстаціонарного 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 скидівстаціонарного джерелазазнає 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.
Найме-нування речови-ни
Місце створа
Витрати стічних вод Qc, куб.м/с
Витрати води у створі річки Qр, куб.м/с
Концентрація
забруднюючої
речовини, г/куб.м
у стоку
створ вище
створ нижче
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.
ЗР
Місце
створа
Річка
Водойма
Сл
См
Тр
Свп
Свt
Тв
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.
ЗР
Місце
створа
Річка
Водойма
Сар
Снр
Кр
Сав
Снв
Кв
Таблиця 3.1 - Варіанти задання вихідних параметрів
поверхневого водного об’єкта
№ варіанта
Витрати стічних вод (об’єм стоку) Qc , куб.м/с
Витрати води у створі річки Qр, (об’єм водойми Qр) , куб.м/с
1
0.048
20.7
2
0.05
20.71
3
0.049
20.72
4
0.035
20.73
5
0.034
20.74
6
0.03
20.75
7
0.04
20.76
8
0.041
20.77
9
0.042
20.78
10
0.044
20.79
Таблиця 3.2 - Варіанти задання вихідних даних концентрації С
забруднюючої речовини у стічній воді (стік) та вище місця
випуску на 200м (вище)
№ варіанта
Найме-нування речовини
ГДК,
г/куб.м
Місце ство-ра
Концентрація забруднюючої
речовини С, г/куб.м
1
2
3
4
5
1
Азот
0,5
стік
вище
4.5
2.8
6.3
2.6
11.6
2.1
26.1
4.9
42.1
4.4
2
Фториди
0,75
стік
вище
7.8
0.46
7.3
0.46
9.1
0.47
12.2
0.6
20.4
0.6
3
Хлориди
50
стік
вище
348
28.7
338
30.2
422
36.6
565
51.1
517
34.9
4
Сульфа-ти
50
стік
вище
57.7
56.4
51.6
55.3
678
54.3
356
67.1
901
77.2
5
БПКп
3
стік
вище
60
5.6
52
5.1
57
5.7
38
6.8
58
5.7
Вимоги щодо оформлення результатів роботи
Звіт повинен містити:
1 Вихідні дані згідно із заданим варіантом завдання.
2 Результати всіх послідовних розрахунків (пп.2 - 8).