Модуль 2. Моделювання стану поверхневих вод

Тема 15 Модуля 1. Принципи та заходи охорони вод.

Составим уравнение, левые части которых прировняем к нулю

0 = - λ₁₂P₁+ λ₁₃+ λ₂P₂

0= - λ₂₁P₂- λ₂₃P₂+ λ₃₂*P₃+ λ₁₂P₁

0= - λ₂₃P₃+ λ₁₃P₁+ λ₂₃P₂

Эта система определяет величину вероятностей Р1,Р2,Р3 с точность до постоянного множества.

Взяв Р₁+Р₂+Р₃=1 (нормирующее условие)

Р1 = λ₂₁- λ₃₂ / А

где

А = (λ₁₂+ λ₁₃)(λ₂₃+ λ₃₂) λ₂₁(λ₁₃+ λ₃₂)

Р₂ = λ₃₂(λ₁₂+ λ₁₃)/ А

Р₃ = 1-Р₁-Р₂

Р=0,103 Р₂=0,516 Р₃=0,381

Охорона вод – система технічних, правових, організаційних і економічних заходів, спрямованих на запобігання, обмеження і усунення наслідків забруднення та виснаження вод.

До технічних заходів відносяться: очистка стічних та інших зворотних вод, оборотне водопостачання, повторне використання води, створення безстічних виробництв, використання стічних вод для зрошення, створення прибережних водоохоронних зон.

До правових заходів відноситься розвиток та вдосконалення водоохоронного законодавства і застосування санкцій при порушеннях його вимог та положень.

До організаційних заходів відноситься створення та функціонування системи управління використанням та охороною вод на рівні водокористувачів, органів місцевого самоврядування, регіональних та державних органів влади, спеціально уповноважених державних органів в галузі водокористування. Цими спеціально уповноваженими органами є Міністерство охорони навколишнього природного середовища і Державний комітет водного господарства та їхні підрозділи на регіональних та місцевих рівнях.

До економічних заходів відноситься стягнення сплати за забір води з водних об’єктів та за скид до них стічних вод, формування грошового фонду охорони довкілля та використання коштів на охорону вод та раціональне використання водних ресурсів.

ЗМ 2.1. Моделі якості поверхневих вод.

Тема 1. Визначення фонових концентрацій речовин у водних об’єктах.

Під фоновою концентрацією речовини С_фрозуміють статистично обґрунтовану верхню довірчу межу можливих середніх значень цієї речовини в створі, що розташований вище виходу стічних вод. Фонова концентрація розраховується для найбільш несприятливих гідрогеологічних умов або найбільш несприятливої відносно якості води пори року.

Для розрахунку фонових концентрацій необхідні дані щонайменше за три роки. Загальна кількість даних - не менше 12.

Для кожного показника необхідно знати:

– місяць проведення аналізу (М);

– витрату водотоку на момент відбору аналізу (Q);

– значення концентрації речовини (С).

Вибираються всі дані, наявні в початковій базі даних. Середнє їх значення не шукають. Якщо в парі витрата-концентрація (Q-C) відсутні дані про витрату, то концентрація все одно приймає участь у розрахунку. Якщо в парі витрата-концентрація (Q-C) відсутні дані про концентрацію, то ця пара виключається з розрахунку.

Кількість даних у межах кожного року має бути не менше 3, інакше цей рік з розгляду виключається.

Розрахунок включає декілька етапів (4 або 6).

I етап. Проводиться виключення надмірно високих або низьких значень концентрацій у межах кожного року (за кожен рік окремо).

Початкові дані за рік – вибірка.

Причини появи недостовірних даних:

– несумлінний аналіз або погана методика.

– специфічні умови: залповий скид забруднень або зупинка роботи підприємства.

Методика.

w Знаходять середнє значення концентрації в межах кожної вибірки (кожного року):

.

w Визначають середньоквадратичне відхилення:

w Визначають максимальну і мінімальну величину з наявних протягом року концентрацій, після чого визначають величину максимального відхилення як найбільшу з двох величин:

σ = max [(С_max-С_сер),(|С_min-С_сер|)].

Розрахувати яка з величин С_max або С_min дає σ.

w Визначають величину відносного відхилення:

w Проводять порівняння величини відносного відхилення τ з величиною τ_(p,n):

, при р = 1%,

де – табличне значення критерію Стьюдента (Додаток 1);

р – достовірний інтервал; р = 1%-й показує, що, ухвалюючи рішення відкинути або залишити показник, ми ризикуємо помилитися в 1% випадків.

Якщо τ < , відхилення даної величини вважається незначним і величина залишається в розрахунку, після чого проводиться оцінка для наступного року.

Якщо τ > , величина визнається недостовірною і виключається з подальших розрахунків. Разом з нею виключається і відповідна цій концентрації витрата (Q). Після чого всі розрахунки проводять знову, починаючи з п. 1.

Якщо в якомусь році даних (концентрацій) залишилося менше 3, то такий рік з розгляду виключається.

Після того, як у кожному році відкинуті недостовірні концентрації, переходять до наступного етапу.

II етап. Проводиться порівняння даних за різні роки.

За основу при порівнянні береться базовий рік. Як базовий беруть найближчий до нас за часом рік (тобто з 2002 р., 2001 р., 2000 р. базовим є 2002 р.). Решту років порівнюють з базовим і оцінюють істотність відмінностей даних базового і порівнюваного років. Якщо відмінність визнається істотною, порівнюваний рік з подальших розрахунків виключається.

Порівняння проводиться для кожного року (тобто 2001 р. з 2002 р. і 2000 р. з 2002 р.). Порядок не має значення. Якщо відмінність визнається істотною, то виключається порівнюваний рік. На даному етапі базовий рік не виключається ні в якому випадку.

Методика оцінки.

Дані (концентрації) базового і порівнюваного років (наприклад 2002 р. і 2000 р.) об'єднуються в єдину послідовність, що ранжується за зростанням. Кожній величині в цій послідовності привласнюється її порядковий номер, який називається рангом (тобто найменша концентрація в об'єднаній послідовності має 1 ранг, наступна за величиною – 2 ранг і так далі). Якщо декілька величин мають однакові значення концентрацій, то їм привласнюється однаковий ранг. При цьому наступна за величиною концентрація має ранг, що відповідає її порядковому номеру в ряді, що ранжується (тобто з набору концентрацій: 0,5 мг/дм³ – 1 ранг; 0,7 мг/дм³ – 2 ранг; 0,7 мг/дм³ – 2 ранг; 0,7 мг/дм³ – 2 ранг; 0,8 мг/дм³ – 5 ранг).

Визначається сума рангів у цій послідовності, але окремо для значень базового року і окремо для значень порівнюваного року. Після цього визначається критерій Вількінсона-Манна-Вітті:

,

де Т₁ – менша за величиною сума рангів;

n₁ – кількість даних (концентрацій) у вибірці з меншою сумою рангів.

Якщо сума рангів однакова, то як Т₁ і n₁ беруться дані базового року.

Визначають величини m* і n*,

де m* – кількість даних (концентрацій) в більшій за об'ємом вибірці (тобто в базовому або порівнюваному роках);

n* – кількість даних в меншій за об'ємом вибірці.

Якщо кількість даних в більшій за об'ємом вибірці m* > 8, то визначається розрахункова величина Z:

.

Якщо розрахункове значення за модулем |Z| < 1,28, то відмінність визнається неістотною і порівнюваний рік залишається в подальших розрахунках. У протилежному випадку порівнюваний рік з розрахунків виключається.

Якщо кількість даних в більшій за об'ємом вибірці m* < 8, порівняння проводять на підставі номограм (Додаток 2). Якщо в номограмі стоїть знак “Х” – відмінність істотна, якщо порожня клітинка – то рік залишається в розрахунках.

Після того, як один з порівнюваних років або виключений, або залишений, переходять до порівняння наступного року з базовим.

У цьому розділі використовується 5%-й довірчий інтервал, який закладений у формулу для знаходження Z і номограми.

III етап. Проводиться оцінка існування статистично значущого зв'язку між витратою і концентрацією.

На цьому етапі беруть участь ті дані, які залишилися після II-го етапу. Серед цих даних вибираються тільки ті, для яких визначені витрата Q і концентрація С.

Оцінка проводиться тоді, коли кількість пар даних витрата-концентрація (Q-C) не менше трьох (за всіма роками, що залишилися, в сумі). Для цих пар даних розраховується величина коефіцієнта кореляції:

.

Діапазон коефіцієнта кореляції -1<r<1.

Розрахункове значення r порівнюється з критичним значенням r_кр з таблиці:

n	rкр
<15	>0,70
15<n<25	>0,67
>25	>0,60

n – кількість пар даних, що беруть участь у розрахунках. Якщо n < 3, то вважається, що зв'язок між Q і C відсутній і розрахунок не проводиться.

Якщо |r| < r_кр, то статистично значущий зв'язок між Q і C відсутній і виконуються етапи IV-VI.

Якщо |r| > r_кр, то статистично значущий зв'язок між Q і C існує, після цього етапу одразу виконують етап IV*.

IV етап. Розрахунок фонової концентрації за відсутності статистично значущого зв'язку між витратою і концентрацією.

Визначення фонової концентрації .

На цьому етапі в розрахунках беруть участь ті дані (тільки концентрації), які залишилися після II етапу (!). Вони, незалежно від року, розподіляються на квартали: 1 квартал – 1-3 місяці; 2 квартал – 4-6 місяці; 3 квартал – 7-9 місяці; 4 квартал – 10-12 місяці.

Якщо в якомусь кварталі кількість даних менше 3, то такий квартал з розрахунків виключається.

Для кожного кварталу визначається величина середньої концентрації C_сер:

.

Квартал з найбільшою C_сер приймається як базовий квартал.

Потім за методикою II етапу проводять оцінку відмінності базового кварталу і решти кварталів.

Після того, як були відкинуті недостовірні квартали (якщо такі були), визначається загальна (не поквартальна) C_сер для даних, що залишилися:

.

Визначається величина середньоквадратичного відхилення:

.

Вибирається табличне значення критерію Стьюдента для 5%-го довірчого інтервалу і n-1

t _(5%,n-1).

На підставі цих величин розраховується величина фонової концентрації при квартальному розбитті:

.

V етап. Визначення фонової концентрації .

На цьому етапі в розрахунках беруть участь ті дані (тільки концентрації), які залишилися після II етапу (!). Їх, незалежно від року, розбивають на сезони: весняний – 2-4 місяці; літньо-осінній – 5-11 місяці; зимовий – 12 і 1 місяці.

Якщо в якомусь сезоні кількість даних менше 3, то такий сезон з розрахунків виключається.

Для кожного сезону визначається величина середньої концентрації C_сер:

.

Сезон з найбільшою C_сер приймається як базовий сезон.

Потім за методикою II етапу проводиться оцінка відмінності базового сезону і решти сезонів.

Після того, як були виключені недостовірні сезони (якщо такі були), визначається загальна (не посезонна) C_сер для даних, що залишилися:

.

Визначається величина середньоквадратичного відхилення:

.

Вибирається табличне значення критерію Стьюдента для 5%довірчого інтервалу і n-1

t _(5%,n-1).

На підставі цих величин розраховують величину фонової концентрації при сезонному розбитті:

.

VI етап. Визначення фонової концентрації .

Значення фонової концентрації вибирають як найбільшу з двох значень і :

С_ф = max (, ).

Примітки:

1. При розрахунку фонової концентрації для показника «розчинений кисень» у формулах для величин і ставиться знак «–», тобто

,

,

а С_ф = min (, ).

2. Якщо в жодному кварталі кількість даних не перевищує 3, то розрахунок проводиться на основі тільки сезонного розбиття. Аналогічно, якщо в жодному сезоні кількість даних не перевищує 3, то розрахунок проводиться на основі тільки квартального розбиття. Якщо у всіх сезонах і у всіх кварталах кількість даних менше 3, то розрахунок проводиться таким чином: всі дані, що залишилися після ІІ етапу, об'єднують в єдину послідовність, для якої розраховують:

,

,

визначають t_(5%,n-1).

Після чого розраховують :

.

“– ” для показника «розчинений кисень».

IV* етап. Розрахунок фонової концентрації при існуванні статистично значущого зв'язку між витратою і концентрацією.

На цьому етапі беруть участь дані, які залишилися після III етапу (!).

Величина визначається таким чином

,

де С ^розр – концентрація, що відповідає розрахунковій витраті, мг/дм³.

Для визначення С ^розр на основі методу найменших квадратів встановлюють зв'язок між витратою і концентрацією у вигляді лінійного рівняння:

.

Величини а і b визначаються з виразів:

,

.

Величина визначається таким чином:

,

де S – величина середньоквадратичного відхилення:

,

t_(5%,n-1) – табличне значення критерію Стьюдента;

n – кількість пар даних;

r – значення коефіцієнта кореляції (береться з етапу III).

Для розчиненого кисню

.

Необхідна література для розрахунку фонових концентрацій:

1. Таблиці значень критерію Стьюдента (Додаток 1).

2. Номограми для визначення достовірності значень (Додаток 2).

Тема 2. Прогноз якості води на заданій відстані від випуску стічних вод за методом Фролова-Родзіллера.

Найважливішим чинником, що визначає концентрацію речовини в контрольному створі при випуску стічних вод у водний об'єкт, є розбавлення стоків основним потоком. Причина розбавлення – турбулентність. Залежно від джерел турбулентності розрізняють основне і початкове розведення.

Основне розведення відбувається в результаті перемішування, що є наслідком турбулентності основного потоку (водотоку). Оскільки всі природні водотоки є турбулентними потоками, основне розведення існує завжди.

Причиною початкового розведення є додаткова турбулентність, що виникає на межі струменя стічних вод і основного потоку. Ця додаткова турбулентність викликається різницею швидкостей руху цих двох потоків. Початкове розведення підсилює основне, проте для його виникнення потрібні певні умови.

Величина розведення оцінюється кратністю розведення.

n_o – кратність основного розведення;

n_н – кратність початкового розведення.

Загальна кратність розведення: n = n_o·n_н.

Початковими даними для розрахунку кратності розведення є: затверджена для розрахунку витрата стічних вод Q_ст, мінімальна середньомісячна витрата року 95%-ї водної забезпеченості Q_95%, відповідні йому глибина і швидкість потоку.

При здійсненні прогнозу якості води на заданій відстані від випуску стічних вод застосовується формула Фролова-Родзіллера:

.

Концентрація забруднюючої речовини в створі повного перемішування визначається за попередньою формулою, і після ряду перетворень має вигляд:

.

Тема 3. Визначення кратності основного розбавлення.

На деякій відстані від місця випуску стічних вод у водотік відбувається вирівнювання концентрацій за всією шириною водотоку. Створ, де концентрація вирівнялася, називається створом повного перемішування.

Кратність основного розведення визначається за формулою:

.

де Q_ст – витрата стічних вод, м³/с;

Q_зм – витрата змішення – частина витрати основного потоку, яка приєдналася до витрати стічних вод, м³/с.

,

де γ – коефіцієнт змішення,

Q_ф – витрата основного потоку, м³/с. Розрахункова витрата – витрата 95%-ї забезпеченості.

.

Коефіцієнт змішення може змінюватися в діапазоні від 0 до 1.

Відсутності розведення (γ=0) відповідає кратність розведення n_o = 1.

Відповідно при γ = 1 отримуємо максимальну для даного водотоку і випуску стічних вод кратність розведення.

Величина коефіцієнта змішення визначається таким чином:

,

,

де L – відстань від місця випуску до даного створу, м.

,

де ζ – коефіцієнт, що характеризує тип випуску стічних вод: ζ =1, якщо випуск стічних вод здійснюється біля берега; ζ =1,5, якщо випуск здійснюється в русло річки;

φ – коефіцієнт звивистості русла річки, φ= 1- 1,7.

,

де L_пр – відстань по прямій від випуску стічних вод до створу, м;

Д – величина, що характеризує турбулентні властивості основного потоку – коефіцієнт турбулентної дифузії, та визначається за формулою Караушева:

, м²/с,

де g – 9,81 м/с²;

V_ф, h – середні за перетином водотоку швидкість і глибина;

n_ш – коефіцієнт шорсткості русла водотоку. Визначається за таблицями на підставі якісного опису характеристик русла. n_ш = 0,025 - 0,13 (Додаток 3).

Sh – коефіцієнт Шезі, що розраховується за формулою Павловського:

, .

R – гідравлічний радіус, м. Для широких водотоків R ≈ h.

.

Визначення відстані, при якій відбувається повне перемішування.

.

Вважається, що створ достатньо повного перемішування (γ = 0,9 - 0,95) відповідає створу повного перемішування.

Тема 4. Визначення кратності начального розбавлення. Методика підбору параметрів водовипуску для забезпечення начального розбавлення.

Початкове розведення існує не завжди. Оскільки виникнення початкового розведення залежить від інтенсивності турбулентних завихрень, які, у свою чергу, залежать від різниці швидкостей витоку стічних вод з водовипуску і швидкості основного потоку, то для цього необхідне виконання двох умов:

– абсолютна швидкість витоку стічних вод повинна бути не менше 2 м/с, тобто Vст > 2 м/с;

– швидкість витоку стічних вод повинна більш ніж в 4 рази перевищувати швидкість основного потоку, тобто Vст > 4Vф.

Якщо одна з умов порушується, то початкове розведення відсутнє.

Характер початкового розведення багато в чому визначається випуском стічних вод. Розрізняють два основні типи випуску стічних вод: берегові і руслові.

Руслові водовипуски можуть бути зосередженими (один оголовок) і розсіювальними (декілька оголовків). Вони, зазвичай, виводяться в русло річки і ближче до поверхні, оскільки там найбільша швидкість. Берегові водовипуски розташовані в межах берегової смуги. Вони всі зосередженого типу.

Характеристиками розсіювального водовипуску є:

– кількість оголовків N;

– діаметр оголовка d_o, м;

– відстань між оголовками l₁, м.

Характеристикою зосередженого водовипуску є:

– діаметр оголовка d_o, м.

Методика підбору параметрів водовипуску для забезпечення початкового розВЕДЕННЯ.

1) Для розсіювального водовипуску.

При розрахунку параметрів розсіювального водовипуску необхідно дотримуватися двох умов за розрахунком швидкості закінчення стічних вод (V_ст > 2 м/с і V_ст > 4V_ф).

1. Труба-розсіювач повинна бути не більше 0,9 ширини водотоку.

l = 0,9 B,

де В – ширина річки в найменш маловодний період, м.

B = Q_ф / (h V_ф).

2. Відстань між оголовками:

l₁ = h+0,5,

де h – глибина водотоку, м;

0,5 – технологічний запас.

3. .

4. .

V_ст має відповідати вищезгаданим умовам.

За конструктивними міркуваннями потрібно дотримуватися таких умов: d_o > 0,1 м, градація діаметру йде через кожні 5 см, тобто d_o = 0,10; 0,15; 0,20; 0,25 м і так далі.

Таким чином отриманий діаметр має бути наближений до величини, що закінчується на 0 або 5. Проте необхідно стежити, щоб швидкість витоку стічних вод завжди задовольняла вищезазначеним вимогам. У разі потреби збільшення діаметру d_o до необхідної величини, швидкість витоку V_ст можна утримати на необхідному рівні, зменшуючи кількість оголовків N.

2) Для зосередженого водовипуску.

При розрахунку параметрів зосередженого водовипуску необхідно дотримуватися двох умов за розрахунком швидкості витоку стічних вод (V_ст > 2 м/с і V_ст > 4V_ф), а також дотримуватися конструктивних умов для визначення діаметру водовипуску (d_o > 0,1 м, градація діаметру йде через кожні 5 см).

Діаметр оголовка визначається за формулою:

.

У випадку, якщо при d_o = 0,1 м, значення швидкості витоку стічних вод не задовольняє вище наведеним вимогам, то початкового розведення немає, отже n_н=1.

Методика розрахунку кратності початкового розВЕДЕННЯ.

Після того, як визначені параметри водовипуску (розсіювального або зосередженого), визначається кратність початкового розведення.

1) Для зосередженого водовипуску (методика Лапшова).

Кратність початкового розведення визначається за формулою:

,

де m – співвідношення швидкісних натисків:

,

де ρ_ф і ρ_ст – відповідно щільність води водного об'єкту і стічних вод; у більшості випадків ρ_ф = ρ_ст, тому

.

Оскільки V_ст > 4V_ф, то m < 0,25.

đ - відносний діаметр струменя, що дорівнює

;

де .

Абсолютний діаметр струменя d – діаметр зони на межі початкового розведення, що розраховується за формулою:

.

У місці випуску стічних вод d = d_o. У процесі видалення струменя від випуску здійснюється його розширення у вигляді конуса. Ділянка водотоку, де швидкість стічних вод на осі струменя порівнюється із швидкістю основного потоку (річки), вважається моментом, коли початкове розведення зникає – межа зони початкового розведення.

У міру розширення струменя його діаметр d може перевищити глибину водотока. При цьому знижується інтенсивність турбулентного потоку, а, отже, кратність початкового розведення. Цей процес враховується за допомогою коефіцієнта стискання струменя f.

d<h – струмінь не стискається і f = 1.

d>h – відбувається стискання струменя і f визначається за графіком або за формулою:

.

Якщо розрахункове значення f > 1, то записують f = 1 (через похибку формули). Якщо d значно більше f, то n_н може бути менше 1, тоді записують n_н = 1.

2) Для розсіювального водовипуску.

Розсіювальний водовипуск дозволяє проводити випуск за всією шириною річки. Максимальний діаметр струменя d визначається відстанню між оголовками і дорівнює їй, тобто

d = l₁.

Відносний діаметр струменя визначається за формулою:

.

Далі визначаються m, f і n_н за вищевикладеною методикою.

.

Тема 5. Математична модель Стрітера-Фелпса.

Прогноз величини БСК і вмісту розчиненого кисню в поверхневих водах, як правило, проводиться на основі математичної моделі Стрітера-Фелпса. Ця модель справедлива при наступних обмеженнях:

- витрата і гідравлічні характеристики потоку постійні;

- у водоймищі дотримується режим повного перемішування.

У загальному випадку система рівнянь Стрітера-Фелпса для турбулентного потоку записується у вигляді:

;

,

де Е – коефіцієнт подовжньої дисперсії, м²/с;

L - величина БСК, гО₂/м³;

D - величина дефіциту кисню, г/м³;

k₁ і k₂ - величини коефіцієнта неконсервативності для БСК і коефіцієнта реаерації відповідно, 1/с;

f і r - інтенсивність зовнішнього потрапляння органічних речовин в одиницях БСК і розчиненого кисню відповідно, г/м³ с.

Під дефіцитом кисню розуміють різницю між величиною концентрації насичення Cs і концентрації розчиненого кисню S.

Тема 6. Методика визначення гранично-допустимої концентрації С_ГДС в стічній воді. Резерв асимілюючої здатності.

Розрахунок концентрації гранично допустимого скиду (С_ГДС) для одиничного водовипуску залежить від місця скиду стічних вод у водотік: у межах або поза межами населеного пункту.

При скиді у межах населеного пункту норми якості води мають виконуватися для господарсько-побутової категорії водокористування. При цьому розрахунок здійснюється окремо для:

- завислих речовин;

- речовин, що знаходяться у Загальних вимогах, та речовин, що належать до 3-го й 4-го класів небезпеки (КН), а також єдиних у своїй лімітуючій ознаці шкідливості (ЛОШ);

- речовин 1-го й 2-го класів небезпеки з однаковими ЛОШ.

Має значення тип водовипуску: зосереджений або розсіювальний.

При скиді за межами населеного пункту норми якості води мають виконуватися для рибогосподарської категорії водокористування. При цьому розрахунок виконується окремо для:

- завислих речовин;

- речовин, що знаходяться у загальних вимогах, або єдиних у своїй ЛОШ;

- речовин з однаковими ЛОШ.

Тип водовипуску значення не має.

Для здійснення розрахунків необхідно оцінити стан водного об'єкту у відповідності до цієї категорії водокористування, тобто визначити наявність резерву асимілюючої здатності (РАЗ). РАЗ – це здатність водного об'єкту прийняти додаткову масу забруднень без порушення в контрольному створі норм якості води, що відповідають даній категорії водокористування.

Тема 7. Методика визначення С_ГДС для одиночного водовипуску в межах населеного пункту.

Розрахунок С_ГДС для водовипуску, розташованого у межах населеного пункту, здійснюється для господарсько-побутової категорії водокористування.

Дата добавления: 2015-04-30