2 Моделювання факторів впливу на процес поширення забруднюючих речовин у воді водного об’єкта у зоні скидів техногенного стаціонарного джерела
Мета роботи – засвоїти методику та набути практичних навичок розрахунку факторів впливу на процес поширення домішок у воді водного об’єкта.
Об’єкт дослідження - локальний поверхневий водний об’єкт.
Предмет дослідження – процес поширення домішок у воді.
Завдання – розрахувати показники факторів впливу на процес поширення домішок у воді водного об’єкта.
Основні науково-теоретичні положення
Розглянемо характеристики водойми, які найбільш значною мірою впливають на поширення домішок у воді водного об’єкта в зоні скидівстаціонарногоджерела.
В озерах і водосховищах на процеси перемішування впливають гідрологічні і метеорологічні умови. Тому для оцінки перемішування стічних вод необхідно виконувати розрахунки вітрових течій, враховувати мінливість гідрологічних величин і гідроелементів, підлеглих впливу коливання вітру над водою.
Найбільш характерні умови розбавлення при швидкості вітру різної забезпеченості (Р) наведені в табл. 2.1.
Таблиця 2.1 - Найбільш характерні умови розбавлення при швидкості вітру різної забезпеченості (Р)
Умови перемішування
Забезпеченість швидкості вітру Р, %
Сприятливі
1
Середні
50
Несприятливі
90
Перехід від швидкості вітру на суші (Wc) на висоті 10 м над водною поверхнею (Wв) здійснюється за графіком (рис.2.1).
Для визначення середньої швидкості вітру над водою рекомендується спеціальна номограма (рис.2.2) або виконують розрахунок за наближеною залежністю
Wвс = Kс W2 , (2.1)
де Kс – коефіцієнт обліку схилу поверхні;
W2 – швидкість вітру на висоті 2 м над водою, м/с;
h - середня висота хвилі 1% забезпеченості в даній системі хвиль для даної ділянки, м.
За відсутності номограми (рис.2.2) і необхідних початкових даних можна для наближеного розрахунку використовувати такий підхід. Для переведення швидкості вітру над сушею Wc на висоті 10 м в швидкість вітру W2 над водою на висоті 2 м вводиться коефіцієнт переведення (Кw=0,85), тобто
W2 = Кw Wc = 0,85 Wc . (2.2)
Коефіцієнт схилу обчислюється за формулою
Кс = Wвт / ,(2.3)
де Wвт – середня швидкість течії, м/с;
- середня глибина, м;
У – схил водної поверхні, %о.
Схил розраховується із співвідношення падіння висотиh дна русла над рівнем моря (h=hк-hп) вздовж 1 км досліджуваної ділянки
У = h / 1000 . (2.4)
Значення Кс і Кв пов'язані між собою залежністю (табл.2.2).
Таблиця 2.2 - Значення Кв залежно від значень Кс
Кс
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Кв
10
18
27
34
42
50
55
60
64
68
За відсутності даних про схили обчислюється коефіцієнт Ксх:
Ксх = = 33 , (2.5)
де – ефективність діаметра частинок даних відкладень, мм;
– середня глибина русла, м.
Рисунок 2.1 – Графік зв’язку швидкості вітру над водою Wв і на метеостанції на суші Wс на висоті флюгера 10 м
Рисунок 2.2 - Номограма для визначення вітрової швидкості Wс
Рисунок 2..3 - Номограма для визначення Ксх = f
Для водойм звичайно маємо 10 Ксх 60.
Функція коефіцієнта схилу визначається величиною
fсх = 6 + 0,7 Ксх . (2.6)
Коефіцієнт турбулентної дифузії є основним параметром при розрахунку перемішування.
За умови слабкого вітрового хвилювання він обчислюється за формулою
Дв = g HcWc / fш Кш ,(2.7)
де Hc – середня глибина водоймища, м;
Wc – середня швидкість хвилі на ділянці, м/с;
g = 9,81 м/с – коефіцієнт вільного падіння.
Коефіцієнт турбулентної дифузії за наявності хвилювання обчислюється за формулою
Д = , (2.8)
де - фазова швидкість хвиль, м/с;
- середнє по вертикалі значення абсолютної величини переносної швидкості, м/с;
h - висота хвилі 1% забезпеченості, м;
Hc - середня глибина водоймища на ділянці (рекомендується для глибин Н60 м), м;
d e - ефективний діаметр частинок донних відкладень, м;
b = 700 – const;
? = 3,14 – const.
Фазова швидкість хвилі обчислюється за формулою
= при H 0,5 L , (2.9)
де L – довжина хвилі, м;
g = 9,81 – const;
? = 3,14 – const.
Або фазова швидкість хвилі обчислюється за формулою
= при Н 0,5 L, (2.10)
де - довжина хвилі 1% забезпеченості, м;
Н – глибина водоймища, м.
Розглянемо характеристики потоку, що впливають на перемішування стоків у річці. Так, для розрахунку турбулентного перемішування в річках важливий показник витрати води.
Як розрахункову витрату звичайно беруть мінімальну витрату 95% забезпеченості.
Відповідно до розрахункової витрати (Q, куб.м/с) визначаються: площа живого перетину (S, кв.м), середня швидкість течії (V, м/с), схил водної поверхні (У, ‰), середня ширина (В, м), середня глибина потоку (Нс, м).
За наявності змінних схилів обчислюється коефіцієнт схилу Ксх за формулою
Ксх = Wр / , (2.11)
де Wр – середня швидкість перебігу потоку (річки);
- середня глибина;
У – схил водної поверхні.
Коефіцієнт шорсткості (Кшр) дна річки обчислюється за формулою
Кшр = ,(2.12)
де - середня глибина;
- ефективний діаметр частинок донних відкладень.
Для річки звичайно маємо Кшр60.
Коефіцієнт турбулентної дифузії потоку розраховується за формулою
Др = , (2.13)
де Wc – середнє значення швидкості течії на ділянці поширення забруднюючих речовин, м/с;
Нс – середня глибина на розрахунковій ділянці, м;
Ксх – коефіцієнт схилу;
fсх – функція коефіцієнта схилу;
g = 9,81 м/с – коефіцієнт вільного падіння.
Функція схилу fсх в інтервалі 10 ? Ксх ? 60 дорівнює
f сх = 6 + 0,7 Ксх . (2.14)
При Ксх він дорівнює fсх = 48 (сonst).
Коефіцієнт турбулентної дифузії є основним параметром при розрахунку перемішування в потоках рік.
Суттєвим моментом є урахування поперечної швидкості потоку. Для обліку поперечної циркуляції Кz і мінливості глибин Кт на даній ділянці вводиться загальний поправковий коефіцієнт Кзаг у формулу коефіцієнта турбулентної дифузії
Дпсп = Кзаг Д . (2.15)
Поперечна швидкість (Wz,ср) перебігу потоку (внутрішньої циркуляції в потоці) відіграє важливу роль у розрахунку розбавлення стічних вод у річках. Вона приводить до інтенсифікації процесу перемішування.
Середнє значення поперечної швидкості по вертикалі рекомендується обчислювати за формулою
Wz,ср = 0,13 Nт Wx , (2.16)
де Нс – середня глибина потоку для всієї ділянки, м;
Wx – середнє значення поздовжньої швидкості течії, м/с;
- радіус кривизни русла нижче місця випуску, м;
Nт – параметр турбулентного потоку.
Параметр турбулентності потоку визначається відношенням
Nт = fсх К сх / g . (2.17)
Значення fсх і Nт залежно від Ксх можна визначити за даними таблиці 2.3.
Таблиця 2.3 - Значення f сх і Nт залежно від Ксх
Ксх
10
15
20
25
30
35
40
fсх
13
16.5
20.5
23.5
27
30.5
34
Nт
13.3
25.2
40.8
59.9
82.6
108
139
Ксх
40
45
50
55
60
65
70
fсх
34
37.5
41
44.5
48
48
48
Nт
139
172
209
249
294
318
343
Вплив Wz можна враховувати безпосередньо або шляхом введення поправкового множника Кz до коефіцієнта турбулентності Д. Величина Кz є функцією відношення
Кz = (Wz + Wп) / Wп , (2.18)
де Wп - середнє значення поперечної пульсаційної швидкості потоку, м/с.
Середнє значення абсолютної величини поперечної складової пульсаційної швидкості (Wп) визначається за формулою
Wп = Wх / , (2.19)
де Wx - середнє значення поздовжньої швидкості потоку, м/с.
Окрім поперечної циркуляції потоку, на інтенсивність перемішування значно впливає нерівномірний розподіл глибин на ділянці.
Мінливість глибин на досліджуваній довжині русла річки підсилює кінематичну неоднорідність потоку і є одним із суттєвих чинників посилення турбулентності водних мас.
Урахування цього чинника здійснюється шляхом введення коефіцієнта Кт турбулентної дифузії.
Коефіцієнт турбулентності потоку дорівнює
Кт = (Нмакс.сер - Нс) / Нс , (2.20)
де Нмакс.сер – максимальна з середніх глибин на досліджуваній ділянці, м;
Нс – середня глибина для всієї ділянки, м.
Для кількісного визначення Кz і Кт можна використовувати графік (рис.2.4) або виконати розрахунок за такою залежністю:
Кзаг = f (Кz; Кт) = f ( ) . (2.21)
Виправлений коефіцієнт турбулентної дифузії (Двип), що сумарно характеризує умови перемішування в річковому потоці з урахуванням поперечної циркуляції (Кz) потоку і мінливості глибин на ділянці, дорівнює величині
Двип = Кзаг g HcWc / fухКух . (2.22)
Таким чином, викладені вище науково-теоретичні положення дозволяють виконати поставлене завдання, а саме: розрахувати показники і провести аналіз процесу розбавлення стічних вод у воді водного об’єкта у зоні скидів техногенногостаціонарногоджерела.
Рисунок 2.4 - Номограма для визначення Кзаг = f (Kz, Kt)
Алгоритм виконання роботи
1 Виписати вихідні параметри досліджуваного водного об’єкта (табл.2.4) згідно з варіантом завдання та відповідно до нижченаведеної схеми.
Найме-нуван-ня ЗР
Місце створа
Глибина
русла
Н, м
Водойма
Річка
схил
У, ‰
швид-кість течії Wвт, м/с
схил
У, ‰
швид-кість течії Wвт, м/с
2 Розрахувати коефіцієнт схилу Кс (формула 2.3).
3 Визначити коефіцієнт Ксх (табл. 2.3).
4 Розрахувати функцію fсх схилу дна русла (формула 2.6).
5 Розрахувати функцію схилу fсх водної поверхні (ф. 2.14).
