Нормирование воздействий на водные объекты

1. Нормирование воздействий на водные объекты

Тема 6

2.

ГИДРОСФЕРА
Жизнеобеспечивающие
функции
Ресурсные
функции
Среда жизни
Ресурс сельхоз.
и пром.
производства
Накопитель
биогенных
элементов
Аккумулятор
вещества
Аккумулятор
теплоты
Среда
биохимических
процессов
Среда
газового режима
Минеральные
ресурсы
Биологические
ресурсы
Энергетические
ресурсы
Климатоформирующие
функции
Обмен энергии
и вещества
с атмосферой
Формирование
погодных
условий
Формирование
циклонов
Источник
экстремальных
явлений
Геосферные
функции
Антропосферные
функции
Атмосферные
Рекреационная
Педо- и
литосферные
Транспортная
Фактор
эстетического и
эмоционального
воздействия

3. Воздействия на гидросферу

Водопользование
Водопотребление
Изъятие
водных ресурсов
из поверхностных
и подземных
источников
Истощение
запасов
Водоотведение
Сточные воды:
Бытовые
Промышленные
Ливневые
Реабилитация
водных объектов
Загрязнение
гидросферы:
Химическое
Биологическое
Тепловое

4. Водопотребление: системы и схемы водоснабжения

Система водоснабжения - комплекс инженерных сооружений, обеспечивающих
водой различных потребителей.
Виды систем водоснабжения
По общему назначению
По кратности использования воды
централизованные - системы,
обеспечивающие водой
большие комплексы объектов
коммунального и производственного
назначения
Прямоточные – вода используется один раз
локальные - системы,
снабжающие водой отдельные
здания или небольшую их группу
групповые - системы,
снабжающие водой несколько
крупных районов, в которые входят
промышленные комплексы,
с/х предприятия, населённые пункты
Оборотные – вода используется многократно
По способу
подачи воды
По назначению
Хозяйственно-питьевые
Производственные
Противопожарные
Механизированные
(используются насосы
и водоподъемники)
Самотечные
Комбинированные
По виду источника
По виду обслуживаемого объекта
С забором воды из поверхностного источника
городские
сельскохозяйственные
С забором воды из подземного источника
промышленные
железнодорожные
По способу
регулирования воды
Башенные
Безбашенные

5. Водоотведение: виды и состав сточных вод

Производственные сточные воды –
полидисперсные гетерогенные (неоднородные) агрегативно-неустойчивые системы
Загрязненные
По характеру содержащихся примесей:
1) загрязненные преимущественно минеральными примесями
(предприятия металлургической,машиностроительной, рудои угледобывающей промышленности; заводы по производству
мин.удобрений, кислот, строительных изделий и материалов и др.);
2) загрязненные преимущественно органическими примесями
(предприятия мясной, рыбной, молочной, пищевой,
целлюлозно-бумажной, химической, микробиологической
промышленности;заводы по производству пластмасс, каучука и др.);
3) загрязненные минеральными и органическими примесями
(предприятия нефтедобывающей, нефтеперерабатывающей,
нефтехимической, текстильной, легкой, фармацевтической
промышленности; заводы по производству консервов, сахара,
продуктов органического синтеза,бумаги, витаминов и др.).
По концентрации загрязняющих веществ:
1.. …500,
500 … 5000,
5000…. 30000,
более 30 000 мг/л
По степени агрессивности :
слабоагрессивные
(слабокислые с рН = 6.…6,5 и слабощелочные с рН = 8.…9)
сильноагрессивные
(сильнокислые с рН < 6 и сильнощелочные с рН > 9)
неагрессивные (с рН = 6,5…. 8)
Незагрязненные
(условно чистые)
поступают от холодильных,
компрессорных,
теплообменных аппаратов;
образуются при охлаждении
основного производственного
оборудования и продуктов
производства

6. Источники и виды воздействий на гидросферу

Виды загрязнителей гидросферы
по природе
минеральные
(около 42%)
песок, глина, шлак, соли,
кислоты, щелочи,
минеральные масла
в сточных водах
промышленности,
сельского хозяйства,
ЖКХ и др.
органические
(около 58%)
растительные:
трава, растительные и пищевые
остатки, бумага, нефтепродукты
биологические
(бактериальные)
животные:
загрязнения животноводческих ферм,
выделения животных, стоки боен скота,
кожевенных заводов, биофабрик
по объекту
промышленные
хозяйственнобытовые
фекальные
…
Источник загрязнения гидросферы – это объект или субъект, вносящий в воду
загрязняющие вещества, микроорганизмы или теплоту. Ими являются атмосферные и
талые воды городов, бытовые и промышленные сточные воды, животноводческие
стоки и грунтовые воды, загрязненные удобрениями и пестицидами. Ежегодно в
водоемы сбрасывается около 30 млрд м3 неочищенных вод.

7. Источники и виды воздействий на гидросферу

Классификация загрязнителей по Л.А. Кульскому
Тип загрязнителя
Примеры методов
очистки
Нерастворимые в воде
грубодисперсные примеси – взвеси,
суспензии и эмульсии (первая группа),
образуют с водой гетерогенные
кинетически неустойчивые соединения
Вещества
коллоидной
степени
дисперсности (R~0,1 мкм), образующие
с водой гидрофильные и гидрофобные
системы,
близкие
к
коллоидным
растворам (вторая группа).
Вещества
молекулярной
степени
дисперсности
(R<0,01
мкм).
Растворимые органические соединения
(третья группа)
Ионные растворы (R<0,001 мкм).
Растворы солей, кислот, щелочей, ионы
металлов – электролиты (четвертая
группа)
Методы,
основанные
на
использовании сил
гравитации
Флотация,
седиментация,
коагуляция,
фильтрация
Сорбция
с
применением
активированных
углей
Метод
обессоливания,
реагентный метод –
перевод ионов в
малорастворимые
соединения

8.

Источники и виды воздействий на гидросферу:
загрязнение
Химическое
загрязнение
• Загрязнение
нефтью и
нефтепродук
тами
• Загрязнение
сточными
водами пром.
производства,
минеральным
ии
органическим
и
удобрениями
и жидкими
отходами
сельхоз.
производства,
а также
коммунальнобытовыми
стоками
• Загрязнение
тяжелыми
металлами
• Загрязнение
кислотными
дождями
Появление нефтяных пятен затрудняет процессы
фотосинтеза в воде из-за прекращения доступа
солнечных лучей; компоненты нефти токсичны.
Это вызывает гибель растений и животных.
1 т нефти создает нефтяную пленку на площади
до 12 км2. Восстановление пораженных
экосистем занимает 10 – 15 лет
Эвтрофикация
водоемов –
обогащение их
питательными
веществами; приводит к
чрезмерному развитию
водорослей и гибели
других экосистем
водоемов с непроточной
водой (озер и прудов),
иногда - к
заболачиванию
местности
Действие токсичных
Нарушение
компонентов стоков
жизнедеятельност
и водных
организмов и
человека
Закисление
водоемов и
гибель
экосистем

9.

Источники и виды воздействий на гидросферу:
загрязнение
Радиоактивное загрязнение:
Связано со сбросом радиоактивных отходов, утечками
Наиболее опасны элементы, которые плохо
сорбируются на породах ( могут мигрировать):
131I, 35S, 106Ru, 234U и 238U, 134Cs, 137Cs, 90Sr.
226Ra, 210Pb, 210Po и сумма изотопов Tо хорошо
сорбируются грунтами, миграция незначительна
Тепловое загрязнение:
Связано со сбросом в водоемы
подогретых вод ТЭС и АЭС
Механическое загрязнение:
• Сброс сточных вод с высоким
содержанием взвешенных
веществ;
• Естественные процессы
Бактериальное и биологическое
загрязнение:
Антропогенное: ЧС и аварии на
опасных объектах,
скотомогильники, военные
действия)
Естественные процессы
Токсическое и
мутагенное
действие на
организмы
Массовое развитие сине-зеленых
водорослей, цветение воды,
уменьшение количества О2 и
отрицательное влияние на флору
и фауну водоемов
Повышает содержание
механических примесей;
следствие – меньший доступ
солнечного света, затруднение
процессов фотосинтеза,
механическое воздействие на
биоту
Массовое развитие
болезнетворных
микроорганизмов; нарушение
жизнедеятельности водных
организмов и человека
9

10. Направления и виды воздействия на водные объекты

ЦЕЛЕНАПРАВЛЕННЫЙ АНТРОПОГЕНЕЗ
(воздействия человека)
локальные
динамическ
ие
кратковреме
нные
поверхностн
ые
косвенные
стихийные
биологическ
ие
химические
физические
механически
е
сознательны
е
(планомерн
ые)
прямые
глубинные
длительные
статические
площадные
ГИДРОСФЕРА
ПРОЦЕССЫ, ИЗМЕНЯЮЩИЕ УСТОЙЧИВОСТЬ ГИДРОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ
(НЕПОСРЕДСТВЕННЫЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ И СОПУТСТВУЮЩИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ)
НЕИЗБЕЖНЫЕ
ОБР
АТИ
МЫ
Е
НЕ
ОБР
АТИ
МЫ
Е
НАЗ
ЕМ
НЫ
Е
ПО
ДЗЕ
МН
ЫЕ
ПЛ
ОЩ
АДН
ЫЕ
СОПУТСТВУЮЩИЕ
ЛОК
АЛЬ
НЫ
Е
ЕДИ
НИЧ
НЫ
Е
КО
МБ
ИН
ИРО
ВАН
НЫ
Е
ДЛИ
ТЕЛ
ЬН
ЫЕ
КРА
ТКО
ВРЕ
МЕ
НН
ЫЕ
ЯВН
ЫЕ
СКР
ЫТ
ЫЕ

11. Бытовые сточные воды

образуются в результате жизнедеятельности людей. Концентрация
загрязняющих веществ в бытовых сточных водах определяется,
исходя из норм удельного водоотведения на одного жителя:
S = 1000 a/q,
где S — концентрация загрязняющего вещества, мг/л;
а — количество загрязнений, приходящееся на одного жителя, г/сут.;
q — норма водоотведения на одного жителя, л/сут.
Количество загрязнений на одного жителя
Показатель
а, г/сут.
Взвешенные вещества, мг/дм3
БПК5, мгО2/дм3
БПКполн, мгО2/дм3
БПКполн осветленной жидкости, мгО2/дм3
Перманганатная окисляемость, мгО2/дм3
Бихроматная окисляемость, мгО2/дм3
Азот аммонийных солей, мг/дм3
Азот общий, мг/дм3
Фосфор общий, мг/дм3
Фосфаты (в расчете на Р2О5), мг/дм3
в том числе от моющих веществ, мг/дм3
Хлориды, мг/дм3
Поверхностно-активные вещества (ПАВ), мг/дм3
Сульфаты (SO42-), мг/дм3
Калий (К2О), мг/дм3
65
54
75
40
6
—
8
—
—
3,3
1,6
9
2,5
4,4
3,0
Диапазон колебаний состава
сточных вод
170—300
120—220
150—250
—
50—60
300—450
10—20
10—25
5—10
—
—
—
—
—
—

12. Производственные сточные воды

Отличаются большим разнообразием и в зависимости от
состава примесей делятся на следующие группы:
1) воды, содержащие неорганические примеси со
специфическими токсичными свойствами за счет
содержания тяжелых металлов (стоки предприятий
металлургии, гальванических цехов и др.);
2) воды с неорганическими примесями, не обладающие
токсическим действием (сточные воды обогатительных
фабрик, цементных заводов и др.). Примеси находятся
преимущественно во взвешенном состоянии и мало опасны
для водоема;
3) воды, содержащие нетоксичные вещества (предприятия
пищевой и перерабатывающей промышленности). При
попадании в водоем возрастают окисляемость
органических веществ, БПК, снижается количество
растворенного кислорода;
4) воды, содержащие органические вещества со
специфическими токсичными свойствами (предприятия
оргсинтеза, нефтепереработки и др.).

13. Типовой состав производственных сточных вод, мг/дм3

Ингредиенты
Целлюлознобумажная
промышленность
Сульфит Сульфа
ное
тное
произво произво
дство
дство
Взвешенные
вещества,
мг/дм3
Сухой остаток,
мг/дм3
БПК5, мгО2/дм3
130—250
БПКполн,
мгО2/дм3
Перманганатна
я
окисляемость,
мгО2/дм3
ХПК, мгО2/дм3
Азот общий,
мг/дм3
Фенолы, мг/дм3
Нефтепродукты
, мг/дм3
Хлориды,
мг/дм3
Сульфаты,
мг/дм3
Нефтепер
ерабатыва
ющий
завод
Предприя
тия
угольной
промышл
енности
Азотнотуковый
комбин
ат
Машин
острои
тельны
й завод
Коксохи
мически
й завод
Мясоко
мбинат
Кожевен
ный
завод
100—450
100—300
15000—
25000
200-320
—
400—600
1000—
6000
1500—
6000
—
—
800—1000
5000—1000
550—1200
100—200
2500—
4000
2000—
4000
—
250-450
130-480
90-290
—
—
—
—
900—1300
1500—
5000
—
—
—
—
—
—
—
1300—
2000
2000—
7000
1000—
2000
500—
2000
150—200
—
15—25
—
—
—
—
1500—
2000
700—
2500
170—920
—
—
—
1000—
3000
2830
—
—
60—80
—
200—300
—
100—260
20—50
—
0,06
—
—
—
0,01-1,0
—
—
—
—
50-60
7000—15000
—
—
20—100
—
50-60
—
—
—
—
1500—2000
100—200
—
—
1000—
1800
—
—
—
100—150
1500-2000
150-250
7-8
—
—
—

14. Ливневые сточные воды

Концентрации основных загрязняющих веществ в поверхностном стоке на
застроенных участках территории, (мг/л)
Взвешенные вещества
Нефтепродукты
БПК
ХПК
Сульфаты
Хлориды
Азот аммонийный
Азот общий
Нитраты
Нитриты
Кальций
Магний
Железо
Медь
Никель
Цинк
Фосфор общий
Дождевые воды
Талые воды
250
10
30
100
100
200
2
4,9
0,08
0,08
43
8
0,3
0,02
0,01
0,3
1,08
3500
30
90
250
500
1500
4,3
10,5
0,17
0,17
113
14
1,7
0,076
0,02
0,55
1,08
Поливочные (моечные)
воды
500
30
100
100
100
200
2
4,9
0,08
0,08
43
8
0,3
0,02
0,01
0,3
1,08

15. Расчет объема сточных вод с территорий

Масса сброса загрязняющего вещества с неорганизованным
стоком с территории (водосбора) природопользователя:
Mi = S·(Wд·mi д + Wт·mi т)·10-6 + Sп·Wп·mi п·10-6,
где: S — площадь территории (водосбора) природопользователя, га;
Wд, Wт, Wп — объем стока соответственно дождевых, талых и
поливомоечных вод, м3/га;
miд, miт, miп — концентрация i-го загрязняющего вещества в стоке
(соответственно дождевых, талых и поливомоечных вод, мг/л;
Sп — площадь водонепроницаемых покрытий, подвергающихся мокрой
уборке, га.

16. Расчет объема сточных вод с территорий

Объем стока дождевых вод:
Wд = 2.5·Нд·Kq ·Kин,
где: Нд — слой осадков за теплый период со средними температурами выше 0°С,
определяется по данным метеорологических наблюдений территориального органа
Росгидромета, мм; Кq — коэффициент, учитывающий объем стока дождевых вод в
зависимости от интенсивности дождя для данной местности продолжительностью 20
минут при периоде однократного превышения расчетной интенсивности дождя равном
одному году (q20), определяется по специальным таблицам; Кин — коэффициент,
учитывающий интенсивность формирования дождевого стока в зависимости от степени
распространения водонепроницаемых поверхностей Пин2 (кровли зданий, дороги,
площадки, тротуары и т.п.) на площади водосбора как отношение площади
водонепроницаемых поверхностей к общей площади территории природопользователя.
Объем стока талых вод:
Wт = Нт ·Кт ·Кп
где: Нт — слой осадков за холодный период со средними температурами ниже 0°С,
определяется по данным метеорологических наблюдений территориального органа
Росгидромета, мм; Кт — коэффициент, учитывающий объем стока талых вод в
зависимости от условий снеготаяния, Кп — коэффициент, учитывающий вывоз снега с
территории природопользователя. При отсутствии вывоза коэффициент принимается
равным 10 с уменьшением его значения пропорционально объему вывоза снега.
Объем стока поливомоечных вод :
Wп = 10·N·Kпм
где:q — расход воды на одну поливку (мойку) твердых покрытий за отчетный период
принимается по данным учета или в размере 1,2-1,3 л/м2.; N — количество поливок (моек)
в год принимается по данным учета или в соответствии с нормативными документами,
регламентирующими правила эксплуатации промплощадок; Кпм — коэффициент стока
поливомоечных вод принимается равным 0,5.

17. Оценка качества воды

Качество воды - совокупность
показателей ее состава и свойств,
определяющих пригодность для
конкретных видов водопользования.
Оценка качества производится по
параметрам: содержание взвешенных
веществ и плавающих примесей,
температура, окраска, запахи и
привкусы, величина рН, БПК, ХПК,
содержание растворенного кислорода,
содержание химических веществ и
микроорганизмов

18. Оценка качества вод на основе комплексных показателей

В расчете комплексных показателей используют только
нормируемые ингредиенты и показатели состава и свойств воды
водного объекта.
Нижний предел количества учитываемых ингредиентов определяется
их минимальным числом, достаточным для характеристики
качества исследуемой воды по всем лимитирующим показателям
вредности (признаки, характеризующиеся наименьшей безвредной
концентрацией вещества в воде).
Верхний предел количества учитываемых ингредиентов не
ограничивается. Оптимальное число учитываемых ингредиентов
может составлять от 10 до 25.
Объем сведений о химическом составе воды зависит от категории
пункта стационарных наблюдений. Минимальное количество
данных — 4 пробы в течение года или одна проба в квартал (в
гидрологическую фазу); максимальное количество данных не
ограничивается

19.

Комплексная оценка степени загрязненности поверхностных вод по
гидрохимическим показателям: УКИЗВ

20.

21. УКИЗВ: примеры расчетов

22. УКИЗВ: примеры расчетов

23. Оценка качества вод на основе комплексных показателей: УКИЗВ

Класс
и разряд
Характеристика
состояния
загрязненности
воды
1-й класс
2-й класс
Условно чистая
Слабо
загрязненная
Загрязненная
Загрязненная
Очень
загрязненная
Грязная
Грязная
Грязная
Очень грязная
Очень грязная
Экстремально
грязная
3-й класс
разряд «а»
разряд «б»
4-й класс
разряд «а»
разряд «б»
разряд «в»
разряд «г»
5-й класс
Удельный комбинаторный индекс загрязненности воды
Без учета
В зависимости от числа учитываемых КПЗ
числа
1
2
3
4
5
КПЗ
1
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
1―2
0,9―1,8 0,8―1,6 0,7―1,4 0,6―1,2 0,5―1,0
2―4
2―3
3―4
1,8―3,6
1,8―2,7
2,7―3,6
1,6―3,2
1,6―2,4
2,4―3,2
1,4―2,8
1,4―2,1
2,1―2,8
1,2―2,4
1,2―1,8
1,8―2,4
1,0―2,0
1,0―1,5
1,5―2,0
4―11
4―6
6―8
8―10
8―11
311
3,6―9,9
3,6―5,4
5,4―7,2
7,2―9,0
9,0―9,9
39,9
3,2―8,8
3,2―4,8
4,8―6,4
6,4―8,0
8,0―8,8
38,8
2,8―7,7
2,8―4,2
4,2―5,6
5,6―7,0
7,0―7,7
37,7
2,4―6,6
2,4―3,6
3,6―4,8
4,8―6,0
6,0―6,6
36,6
2,0―5,5
2,0―3,0
3,0―4,0
4,0―5,0
5,0―5,5
35,5

24. Оценки на основе индекса загрязнения воды (ИЗВ)

Гидрохимический индекс загрязнения воды (ИЗВ) рассчитывается
по 6-7 гидрохимическим показателям; часть из них обязательные
(концентрация растворенного кислорода, водородный показатель рН,
биологическое потребление кислорода БПК5)
N С ПДК
i
i
ИЗВ
ґ 1
N
где Ci —концентрация компонента (или значение параметра); N —
число показателей, используемых для расчета индекса; ПДКi —
установленная величина для соответствующего типа водного объекта
(категории водопользования).
Классы качества вод в зависимости от значения ИЗВ
Воды
Очень чистые
Чистые
Умеренно загрязненные
Загрязненные
Грязные
Очень грязные
Чрезвычайно грязные
Значения ИЗВ
до 0,2
0,2—1,0
1,0—2,0
2,0—4,0
4,0—6,0
6,0—10,0
>10,0
Классы качества вод
1
2
3
4
5
6
7

25. Оценка качества вод по гидробиологическим показателям

Биотический компонент экосистем - наиболее чувствительный к изменениям
качества окружающей среды. Оценки качества вод могут весьма эффективно
проводиться на основе оценок состояния биоты.
Результаты оценки:
― оценка качества изучаемых экосистем (в конечном итоге — с точки зрения
возможности их использования человеком);
― выявление причин наблюдаемых и вероятных структурно-функциональных
изменений биотических компонентов и адресная индикация источников и
факторов негативного внешнего воздействия;
― прогноз устойчивости экосистем и допустимости изменений и нагрузок на
среду в целом;
― оценка существующих резервов биосферы и тенденций в их исчерпании
(накоплении).
Биологические методы анализа качества вод разработаны и применяются,
начиная с 1960-х гг. (методы биологического анализа вод Макрушина).
В оценках используются: экологические модификации Абакумова, биотические
индексы Шеннона, Вудивисса, Балушкиной и др.; зависимости биологических
показателей от различных факторов среды, разработанные школой
Винберга-Алимова по результатам продукционных исследований водных
экосистем.
Оценка качества вод по гидробиологическим показателям может проводиться на
основе полных либо сокращенны программ наблюдения. Требования к ним
установлены ГОСТ 17.1.3.07-82. Охрана природы. Гидросфера.

26.

Классификация качества воды водоемов и водотоков по
гидробиологическим и микробиологическим показателям согласно
ГОСТ 17.1.3.07-82
Класс
качест
ва
воды
Степень
загрязненно
сти воды
Гидробиологические показатели
По
фитопланктону,
зоопланктону,
перифитону
Микробиологические показатели
По зообентосу
Индекс
сапробности по
Пантле и Букку
(в модификации
Сладчека)
Отношение
общей
численности
олигохет к
общей
численности
донных
организмов, %
Биотич
еский
индекс
по
Вудиви
су,
баллы
Общее
количест
во
бактерий
, 106
кл/см3
(кл/мл)
Количеств
о
сапрофитн
ых
бактерий,
103 кл/см3
(кл/мл)
Отношение
общего
количества
бактерий к
количеству
сапрофитны
х бактерий
I
Очень
чистые
Менее 1,00
1―20
10
Менее 0,5
Менее 0,5
Менее 103
II
Чистые
1,00―1,50
21―35
7―9
0,5―1,0
0,5―5,0
Более 103
III
Умеренно
загрязненные
1,51―2,50
36―50
5―6
1,1―3,0
5,1―10,0
103—102
IV
Загрязненны
е
2,51―3,50
51―65
4
3,1―5,0
10,1―50,0
Менее 102
V
Грязные
3,51―4,00
66―85
2―3
5,1―10,0
50,1―100,
0
Менее 102
VI
Очень
грязные
Более 4,00
86-100 или
макробентос
отсутствует
0―1
Более
10,0
Более 100,0
Менее 102
Примечание. Допускается оценивать класс качества воды и как промежуточный между
вторым и третьим (II―III), третьим и четвертым (III―IV), четвертым и пятым (IV―V)

27.

Определение биотического индекса Вудивисса
Наличие видовиндикаторов
Кол-во видовиндикаторов
Общее количество присутствующих групп
бентосных организмов
0―1
2―5
6―10
11―15
16―20
20―...
Личинки веснянок
(Plecoptera)
Более 1
1 вид
―
―
7
6
8
7
9
8
10
9
11―...
10―...
Личинки поденок
(Ephemeropra)
Более 1
1 вид
―
―
6
5
7
6
8
7
9
8
10―...
9―...
Личинки ручейников
(Trichoptera)
Более 1
1 вид
―
4
5
4
6
5
7
6
8
7
9―...
8―...
Бокоплавы
3
4
5
6
7
8―...
Водяной ослик (Asellus aquaticus)
2
3
4
5
6
7―...
Олигохеты или личинки звонцов
1
2
3
4
5
6―...
Отсутствуют все приведенные выше группы
0
1
2
―
―
―
Состояние водоема по индексу Вудивисса:
0―2 балла — очень сильное загрязнение (V―VII класс качества), водное сообщество
находится в сильно угнетенном состоянии.
3―5 баллов — значительное загрязнение (IV―V класс).
6―7 баллов — незначительное загрязнение водоема (III класс).
8―10 баллов и выше — чистые реки (I―II класс)

28. Оценки состояния донных отложений рек и водоемов

Донные отложения водных объектов — геологическое образование,
формирующееся в новейшее время; важнейший компонент подводных
ландшафтов и неотъемлемый элемент водной экосистемы. Их
образование связано с осаждением речных наносов, которые в силу
физических законов всегда находятся в потоках.
Гренландия: керн озерных донных отложений

29. Оценки состояния донных отложений рек и водоемов

30. Оценки состояния донных отложений рек и водоемов

«Сухой сток» рек по континентам

31. Оценки состояния донных отложений рек и водоемов

Донные отложения – интегральный индикатор техногенной нагрузки на
водный объект. Их состояние позволяет проследить динамику
загрязнения за длительный период техногенного воздействия.
ПДК для донных отложений не установлены. При оценках уровней
загрязнений используют фоновые значения, кларки в породах, ПДК в
почвах и другие геохимические показатели.
Проблема оценок состояния донных отложений: не учтена специфика
состава донных отложений и особенностей гидрохимической
трансформации загрязнителей в системе «вода – наносы – донные
отложения».
Очистка дна
(дноуглубительные работы)

32. Оценки состояния донных отложений рек и водоемов

Наносы, особенно мелких фракций, обладают высокой сорбционной
емкостью и в процессе перемещения и отложения накапливают комплекс
химических соединений неорганической и органической природы.
Концентрация загрязняющих веществ в наносах глинистой фракции
(размер менее 0,02 мм) может в 5―10 раз превышать их
концентрацию в воде.
Насыщенность тяжелыми металлами донных отложений и их глинистой
фракции в малых реках г. Новосибирска (числитель - отложения в целом,
знаменатель – глинистая фракция) (Сидорова М.Ю., 2012)
Ельцовка-1
рН Физ.глина
%
7,6
8,6
Плющиха
8,1
3,2
Камышенка 8,2
2,7
Тула
5,1
Река
8,5
Zn
67
695
18
344
48
666
39
445
Cu
Ni
мг/кг
11
13
55
56
6
10
61
60
6
9
79
80
17
12
113 64
Pb
Cd
12
51
5
39
6
54
16
88
0,25
1,90
0,02
0,48
0,01
0,25
2,82
4,20

33. Оценки состояния донных отложений рек и водоемов

Особенно хорошо сорбируют на себя
отложения по мере увеличения их
суммарной удельной поверхности.
Известно, что на границе раздела
«частица — вода» идут различные
физико-химические процессы
адсорбция, осмос, ионный обмен.
Интенсивность их развития во многом
зависит от дисперсности минеральной
компоненты. Глинистые и другие
тонкодисперсные материалы
адсорбируют большую часть (или
все) ионы тяжелых металлов и
органических загрязнителей
120
Содержание катионов в пробе, мг/кг
Донные отложения - источник
«вторичного» загрязнения водоемов
и водотоков в лимитирующие периоды,
например зимой, когда содержание
растворенного кислорода падает до
критических уровней (менее 4 мг/дм3).
100
80
60
40
20
0
Менее 20
20-63
63-200
более 200
Вся проба
Фракции, мкм
Cr
Pb
Содержание Сu и Pb в донных
отложениях р. Киржач ниже г. Киржач

34. Оценки состояния донных отложений рек и водоемов

Для оценок загрязненности донных отложений различного механического состава
используют данные по фракции менее 0,02 мм. В европейских странах этот
показатель увеличен на порядок (0,002мм).
В связи с отсутствием нормативов для донных отложений используют показатели
превышения концентрации элементов относительно фона (сфi) или
коэффициенты концентрации Кс:
Кс = сi/cфi.
Загрязнение вод и донных отложений происходит несколькими элементами,
для них рассчитывается суммарный показатель загрязнения Zc,
отражающий эффект воздействия группы из n элементов:
N
Zc K c n 1
i 1
Ориентировочная шкала оценки загрязненности водных систем по
концентрации химических элементов в донных отложениях
Уровень
загрязненности
Слабый
Средний
Zc токсичных элементов
в донных отложениях
10
10—30
Сильный
30—100
Очень
сильный
>100
Содержание токсичных элементов в воде
Слабо повышенное относительно фона
Повышенное относительно фона, эпизодическое
превышение ПДК
Во много раз выше фона, стабильное превышение
отдельными элементами уровней ПДК
Практически постоянное присутствие многих
элементов в концентрациях выше ПДК

35. Оценки состояния донных отложений рек и водоемов

Содержание элементов в растворенной (Р) и взвешенной (В)
формах вод
(малая река в зоне влияния промышленного центра)
Элемент
Хром
Никель
Медь
Цинк
Кадмий
Ртуть
Свинец
Форма
нахож
дения
В
Р
В
Р
В
Р
В
Р
В
Р
В
Р
В
Р
Среднее
содержание, мкг/л
Коэффициент
концентрации, Кс
29,5
10,6
26,1
48,0
73,7
34,3
69,8
48,2
3,22
6,14
0,55
0,73
63,5
5,63
3,02
3,53
6,32
19,5
15,7
4,5
4,78
1,69
7,97
25,5
368
1,11
13,1
2,56
Доля взвешенной
формы от общего
содержания, %
73,6
35,2
68,2
59,1
34,4
43,1
91,8

36. Оценки состояния донных отложений рек и водоемов: региональные особенности

Оценки состояния донных отложений рек и
водоемов: региональные особенност и
Для обоснования уровней загрязненности донных осадков, как и для почв,
наиболее достоверными могут считаться региональные нормативы
Уровни химического загрязнения донных осадков водных объектов СевероЗапада России (по Ю.А. Опекунову)
Элемент
Количество
проб, n
Среднее
содержание, х
Стандартное
отклонение, σ
Со
Ni
Cd
Zn
Сu
Sn
Ag
Ва
Bi
Mn
Cr
Pb
As
Hg
НУ
352
695
436
738
737
338
323
360
310
360
737
733
290
463
477
15
40
3,8
241
69
8,2
0,22
752
1,15
419
69
82
24,5
0,362
2151
9
31
6,7
402
81
6,7
0,22
547
0,84
339
69
127
15
0,527
4064
Уровень загрязнения, мг/кг
Риск
Кризис
Бедствие
15—24
40—71
3,8—8,3
241—505
69—123
8,2—15
0,22—0,35
752—1299
1,15—1,99
419—758
69—138
82—167
24,5—39,5
0,362—0,713
2151—4860
25—45
72—133
8,4—17
506—1040
124—231
15—28
0,36—0,64
1300—2393
2,00—3,70
759—1436
139—275
168—336
39,6—69,5
0,72—1,42
4861—10279
>45
>133
>17
>1040
>231
>28
>0,64
>2393
>3,70
>1436
>275
>336
>69,5
> 1,42
>10280

37. Оценки состояния донных отложений рек и водоемов: использование методов статистики

Оценки состояния донных отложений рек и
водоемов: использование мет одов ст ат ист ики
Статистическая оценка на основе геохимических данных по 12 водным объектам
Северо-Запада России позволила определить «фоновый» уровень загрязнения
при разной антропогенной нагрузке. По значению коэффициента вариации (V)
выделены три группы элементов:
1) металлы: Zr, Ti, V, Y, Sc (V = 0,46―0,64) отражают преимущественно
природный геохимический фон;
2) Ba, Bi, Co, As, Mn, Sn, Ni и Cr (V = 0,73―0,99), характеризующиеся
неоднородным распределением, что вызвано техногенезом; данные химические
элементы типичны для конкретных промышленных производств;
3) Ag, Cu, Hg, Pb, Zn, Cd (V = 1,10―1,76) — приоритетные для региона
загрязняющие вещества; встречаются в повышенных концентрациях
практически во всех обследованных аквальных геосистемах.

38. Оценки состояния донных отложений рек и водоемов: использование методов статистики

Оценки состояния донных отложений рек и
водоемов: использование мет одов ст ат ист ики
Статистические величины содержания поллютантов групп 2 и 3 использованы
для ориентировочной оценки степени загрязнения донных осадков водоемов
Северо-Западного региона.
На этой основе выделено три класса состояний экосистем, используемые в
практике экологического нормирования: риск, кризис и бедствие.
Значения были рассчитаны с учетом правила «трех сигм» по принятым в
геохимии способам оценки природного фона. При подготовке окончательной
выборки из нее были исключены все значения, выходящие за пределы трех
сигм.
Остальные значения распределились для группы приоритетных загрязняющих
веществ следующим образом:
категория риска принята в интервале от х до (х + 2/3σ),
кризиса — от (х + 2/3σ) до (х + 2σ),
бедствия → (х + 2σ).
В группе специфичных поллютантов градации рассчитывались:
для риска — от х до (х + σ),
кризиса — от (х + σ) до (х + 3σ) и
бедствия → (х + 3σ).
Достоинство приведенной классификации — группировка элементов с точки
зрения их распределения и статистическое обоснование предлагаемых
градаций уровня загрязнения.

39. Методические указания по осуществлению государственного мониторинга водных объектов в части организации и проведения наблюдений

за содержанием загрязняющих веществ в
донных отложениях водных объектов
Документ предназначен для использования территориальными органами
Росгидромета, Росводресурсов и другими органами государственной власти.
Проведение мониторинга донных отложений основано на использовании
дифференцированного перечня контролируемых химических показателей,
учитывающих специфику состава сточных вод основных производств,
являющихся источником загрязнения наблюдаемого водного объекта.
Перечень включает приоритетные загрязняющие вещества (нефтепродукты,
полициклические ароматические углеводороды, пестициды, металлы), а также
специфические вещества (полихлорбифенилы, полихлорфенолы,
полиароматические соединения и другие), способные накапливаться в донных
отложениях водных объектов, испытывающих негативное воздействие
основных видов производств.
Приоритетны для наблюдений металлы с высокой токсичностью и
биохимической устойчивостью - Hg, As, Cu, Zn, Cd, Pb и Cr.
В документе представлены указания по проведению интегральной оценки
токсичности донных отложений на основе биотестирования.
При обнаружении зон с высоким уровнем хронического загрязнения донных
отложений или при залповых сбросах сточных вод и авариях, в регионе
проводят дополнительные экспедиционные обследования непосредственно на
участке техногенного воздействия. Цель исследований - выявление источника
загрязнения, масштабов и ареалов его распространения, а также оценка
последствий влияния на состояние объектов природной среды.

40. МОДЕЛИРОВАНИЕ, РАСЧЕТ И ПРОГНОЗ ЗАГРЯЗНЕНИЙ

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ
МОДЕЛИРОВАНИЕ И
МЕТОДЫ РАСЧЕТА
ЗАГРЯЗНЕНИЯ
ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОД

41. Математическое моделирование и методы расчета загрязнения поверхностных вод

Факторы, определяющие поведение примеси в водной среде:
химические (распад, соединение с другими веществами, выпадение в
осадок);
физические (переход в другое агрегатное состояние, адсорбция,
коагуляция);
гидродинамические (перенос течениями и рассеяние в процессе
турбулентной диффузии);
биологические (аккумуляция и перенос живыми организмами).
Важнейшие процессы, отражаемые в моделях загрязнения водных
объектов
1. Перенос вещества и разбавление стоков. Для описания этих процессов
требуются данные по гидрологии и гидродинамике водного объекта, анализ
течений, диффузии и т.д.
2. Осаждение трудноразложимых примесей, вторичное загрязнение
3. Разложение легкоразложимых примесей
4. Самоочищение водной среды.
При рассмотрении динамики загрязнения и самоочищения в реках, озерах и
водохранилищах процесс разбавления и переноса вещества - наиболее
существенный фактор снижения концентрации загрязняющих веществ в
водной среде.

42. Модели переноса веществ в водных объектах

При моделировании качества вод необходимо учитывать динамику распространения
загрязнений и их трансформацию по длине реки или объему водоема
(перемешивание или разбавление вод) .
Модели могут быть одно-, двух- или
трехмерными.
Выбор математической модели для
прогноза качества вод определяется
наличием исходных данных и задачей
расчета.
Загрязнение водных объектов и прогноз их
состояния в значительной мере зависит
от источников загрязнения.
Модели качества воды базируются на дифференциальных уравнениях с частными
производными. С их помощью могут моделироваться условия формирования
качества и количества воды (или отдельные процессы, обуславливающие качество
воды) – имитационные модели.
Моделирование оптимальных условий существования водного объекта с учетом его
нагрузки сточными водами или при производстве водозаборов с сохранением норм
качества воды производится с использованием оптимизационных моделей.

43. Математическое моделирование и методы расчета загрязнения поверхностных вод

(1)
(2)
Здесь неизвестные функции u(x,y,z); v(x,y,z); w(x,y,z) - составляющие поля скорости; p(x,y,z)
– поле давления в стационарном потоке; c(t,x,y,z)- концентрация примеси.
Известные параметры: ρ - плотность жидкости, i – коэффициенты вязкости, fi - компоненты
вектора внешней силы, - параметр распада вещества, W – источник загрязнений.
Параметры Dx , Dy и Dz - коэффициенты диффузии, для упрощения задачи полагают
постоянными
Строго говоря, параметры гидродинамической подсистемы (плотности жидкости, ее
вязкость) должны зависеть от концентрации примеси. Однако в большинстве
случаев, с целью упрощения модели, этой зависимостью пренебрегают, т.е. примесь
считается пассивной. В моделях, где концентрация примеси относительно мала,
такое упрощение вполне оправдано. При таком предположении гидродинамическую
подсистему (1) можно решать независимо от уравнения для концентрации

44. Модели переноса веществ в водных объектах

Модели распространения примеси в водоемах
Камерные:
рассматриваемая область делится
на подобласти – камеры, внутри которых
изучаемые характеристики считаются постоянными.
Для каждой камеры учитываются
лишь средние по ней значения параметров
экосистемы и для каждого резервуара.
Межкамерная связь имитируется
введением балансовых соотношений
Непрерывные:
отказ от упрощений
Региональные модели прогноза качества вод
Имитационные:
призваны дать ответ на вопрос о состоянии
окружающей среды (например, водной)
при данном конкретном воздействии человека
Конечная цель любой имитационной модели описание и прогнозирование ответной реакции
водной среды на внешние воздействия.
При этом сама реакция - результат большого
числа процессов, протекающих в среде:
1. Перенос вещества и разбавление стоков
2. Осаждение трудноразложимых примесей
– вторичное загрязнение.
3. Распад легкоразложимых примесей
– самоочищение водной среды.
4. Термическое загрязнение.
Оптимизационные:
используются для выбора оптимальной
(в смысле затрат и ожидаемого эффекта)
политики хозяйствования в целом
и для выбора оптимального плана
водоохранных мероприятий в частности.
При этом рассмотрение ведется
в масштабе целого региона, например
бассейна реки или значительной его части.

45. Имитационные модели в прогнозе загрязнений

На основании условий сохранения экологического равновесия в водном объекте и с учетом
механизмов саморегуляции водных экосистем, а также всех аспектов
функционирования предприятий-водопользователей, определяются НДВ,
согласующиеся с экологическими стандартами.
В соответствии с типом водного объекта и поставленными целями составляется расчетная
схема, в соответствии с которой строится имитационная модель.
На основании экологических стандартов и показателей, отражающих основные функции
экосистемы, характеристик водопользователей и параметров водного объекта задаются
начальные и граничные условия, определяются параметры модели.
В соответствии с расчетом по построенной модели определяются НДВ и необходимые
мероприятия по улучшению технологий и т. п. водопользователей.

46. Прямая задача прогноза качества воды

Качество воды
1.1. Сбор исходных данных.
1.2. Расчет конвективноОсновные характеристики
диффузионного переноса
Основные
производства,
загрязняющего вещества по
характеристики
сбрасывающего сточные
длине и ширине водотока.
водного объекта:
воды:
Контрольный створ - на
•расход(Q),
•расход сточных вод (qст i);
расстоянии 500 м от точки
•средняя скорость реки (v),
•концентрация ЗВ в сточных
сброса сточных вод.
•глубина (H),
водах (Сст i);
1.3. Оценка качества воды в •ширина (B),
•конструкция водовыпуска
•гидравлический уклон(I),
контрольном створе
•гидравлический радиус
водного объекта:
Результаты решения
максимальная концентрация (R),
•коэффициент
Шези
(с
)
прямой задачи:
ш
загрязняющего вещества
•максимальная
концентрация
сравнивается с нормативами
ЗВ в контрольном створе
качества воды (ПДК для
(СКСmax i);
Фоновая концентрация (Сфi)
водоемов соответствующих
•степень перемешивания (Р);
категорий водопользования
•кратность разбавления (n)
или нормативы допустимых
концентраций, установленные
в соответствии с
индивидуальными
особенностями водных
объектов).
Если максимальная концентрация загрязняющих веществ в контрольном створе
превышает нормы качества воды, необходимо решать обратную задачу прогноза
качества воды и рассчитывать нормативы допустимого сброса (НДС) и предельно
допустимые концентрации загрязняющих веществ в сточных водах источника
загрязнения.

47. Обратная задача прогноза качества воды

С помощью программных
Основные характеристики
Основные
Результаты
средств реализуется
водного объекта:
характеристики
решения прямой
типовая модель
•максимальная концентрация
производства,
задачи:
конвективноЗВ
в
контрольном
створе
сбрасывающего
•максимальная
диффузионного
(СКСmax i);
сточные воды:
концентрация ЗВ
переноса и превращения •расход(Q),
•расход сточных
в контрольном
веществ, позволяющая
•средняя скорость реки (v),
вод (qст i);
створе (СКСmax i);
определить:
•глубина (H),
•концентрация ЗВ
•степень
•ширина (B),
в сточных водах
перемешивания
•распределение
уклон(I),
(Сст i);
(Р);
концентраций в заданном •гидравлический
•гидравлический радиус (R),
•конструкция
•кратность
створе,
•фоновая концентрация (Сфi);
водовыпуска
разбавления (n)
•коэффициент
Шези
(с
)
•кратность разбавления,
ш
•степень перемешивания
и максимальную
Результаты решения обратной задачи:
Сдопст i, НДС
концентрацию каждого
ингредиента.
Схема позволяет определить любой из расчетных параметров показателей
качества воды, как при имеющихся исходных данных, так и для имитирования
различных ситуаций для водного объекта и различных параметров сточных вод.
Полученные результаты сопоставляются с заданными экологическими
стандартами.
•полное выполнение всех
экологических стандартов→
этап решения задачи
заканчивается;
•абсолютное или частичное невыполнение
экологических стандартов → производится
постановка обратной задачи прогноза
предельно допустимого сброса сточных вод.

48. Обратная задача прогноза качества воды

Процесс распределения сточных вод в водотоках можно представить схемой,
включающей три зоны участка перемешивания:
I – струйная (инерционная) зона первоначального смешения;
II – зона выравнивания концентраций (трехразмерная диффузия загрязняющего
вещества, а при малой глубине - двухразмерная);
III – зона полного смешения (продольная диффузия загрязняющего вещества).
Примеси, попавшие в ту или иную часть речного потока или водоема, увлекаются
течением и под влиянием турбулентного перемешивания распространяются в
смежные струи потока.
При этом происходит разбавление
примесей: по мере удаления от места
поступления примеси в поток ее
концентрация постепенно снижается
и при наличии самоочищения
приближается к фоновой. Средняя
концентрация примеси определяется
из уравнения материального баланса:
где Сст – концентрация загрязняющего вещества в сточных водах по одному
показателю, мг/л; Сф – фоновая концентрация, мг/л; Q – расход воды в реке, м3/с;
q – расход сточных вод, м3/с.

49. Прогноз и управление качеством воды рек под влиянием сброса сточных вод Баланс вещества на участках сброса сточных вод

При сбросах в водоемы сточных вод, содержащих ЗВ, происходит ухудшение качества
воды. Концентрация ЗВ не является постоянной и зависит от степени разбавления,
биологических и химических процессов. Эти процессы происходят как вдоль, так и
поперек течения реки, сопровождаются образованием комплексных
органоминеральных соединений, сорбцией на донных отложениях и растительности и
т.д. В общем виде прогноз качества воды на участках рек под влиянием сбросов
сточных вод проводится на основе расчетов баланса вещества
Qр · Ср = Qф · Сф + qс · Сс,
где Qр, Qф и qc – соответственно расходы реки в расчетном створе (для которого
осуществляется прогноз), выше сброса сточных вод (фоновый створ) и объемы
сточных вод; Ср, Сф и Сс – соответственно концентрации по прогнозируемому веществу
или минерализации в вышеперечисленных створах. Расходы определяются чаще в
м3/с или в л/с, концентрации веществ – мг/л или мг/дм3, откуда прогнозные
концентрации веществ определяются:
Qф С ф q с с с
Ср
Qр
уравнение справедливо лишь для условий взаимодействия (смешивания)
консервативных примесей: соли тяжелых металлов, хлориды и др.
Неконсервативные примеси могут быть как в растворенном, так и в коллоидном или
взвешенном состояниях, и кроме разбавления они подвергаются химическим, физикохимическим и биологическим процессам. Совокупность всех перечисленных процессов,
изменяющих концентрации загрязняющих веществ в зоне смешивания сточных и
речных вод или их баланс на рассматриваемом участке, называют самоочищением
водоемов.

50. Прогноз и управление качеством воды рек под влиянием сброса сточных вод Баланс вещества на участках сброса сточных вод

Данные для составлении прогнозов
Гидрологические и
гидравлические характеристики
водного объекта:
расчетные расходы рек, скорости
ветровых течений для непроточных
или слабопроточных водоемов,
гидравлические параметры русла.
В качестве расчетных расходов для
объектов рыбохозяйственного
назначения принимаются не более
1/3 минимального суточного расхода
95%-ой обеспеченности.
Для питьевого и культурнобытового водопользования
расчетный расход принимается
равным 95% обеспеченности
Характеристика
источника
загрязнения
Требования к качеству
воды водного объекта в
расчетных (или
контрольных) пунктах
водопользования
Состав и свойства вод водных
объектов должны соответствовать
нормативам в створах,
расположенных на водотоках, в 1
км выше по течению пункта
водопользования
(водоснабжения, мест купания,
организованного отдыха,
территорий населенных пунктов и
т.п.), а на непроточных водоемах и
водохранилищах – в 1 км в обе
стороны от пункта
водопользования

51. Прогноз и управление качеством воды рек под влиянием сброса сточных вод Расчет распространения примесей в водных объектах

Для расчетов процесса разбавления необходимо иметь план водного объекта, чтобы
определить положения створов и коэффициенты извилистости. Все гидравлические
параметры определяются при заданном расчетном расходе.
Степень (кратность) полного разбавления n, которая выражается кратностью
разбавления:
q Q
n
q
где Q – разбавляющая вода водоема, м3/с; q – разбавляемая сточная вода,
поступающая в водоем, м3/с.
В реальных условиях процесс смешивания сточных вод может быть осложнен рядом
факторов. Кратность разбавления следует определять по формуле
γQ q
n
q
где γ – коэффициент смешивания, указывающий на степень полноты разбавления
сточных вод.
Условия спуска сточных вод в водоем оценивают с учетом их влияния у ближайшего
пункта водопользования, где следует определять кратность разбавления

52. Прогноз и управление качеством воды рек под влиянием сброса сточных вод Расчет распространения примесей в водных объектах

Наиболее часто для определения кратности разбавления используется метод
Фролова-Родзиллера
1 β
γ
α 3 Lф
β
β
e
Q
1
q
где е - основание натурального логарифма; α - коэффициент, учитывающий
гидравлические факторы смешения; Lф - расстояние до рассматриваемого створа
по течению (фарватеру) реки, м
α ξ 3
D
q
где ζ - коэффициент, зависящий от места выпуска стока в реку:
при выпуске у берега ζ=1,
при выпуске в стержне реки (место наибольших скоростей) ζ=1.5;
φ - коэффициент извилистости реки, равный Lф/Lпр,
т.е. отношению расстояния по фарватеру
полной длины русла от выпуска сточных вод до рассматриваемого створа к
расстоянию между этими двумя пунктами по прямой;
D - коэффициент турбулентной диффузии

53.

Типы водовыпусков

54. Прогноз и управление качеством воды рек под влиянием сброса сточных вод Расчет распространения примесей в водных объектах

D - коэффициент турбулентной диффузии
D
v ср Н ср g
2mc
где vср – средняя скорость течения, м3/с.; Нср – средняя глубина, м; g - ускорение
свободного падения, g =9.81 м/с2; m – коэффициент Буссинеска, m ≈ 24; с –
коэффициент Шези, который определяется по таблице. При условии 10<с <60 m=0.7
c+ 6, при с≥60 m=48=const; m имеет размерность м/с2.
Коэффициент Шези в гидравлических расчетах характеризует интенсивность
турбулентного перемешивания водных масс. Максимальные его значения характерны
для слабого перемешивания, и, наоборот, минимальные дают представление об
эффекте интенсивного смешивания.
Коэффициент при наличии измеренных гидравлических уклонов I :
c
v ср
RI
где v - средняя скорость потока, м/с; R=F· χ - гидравлический радиус потока, м;
F – площадь живого сечения, χ – смоченный периметр.
При отсутствии наблюдений за уклонами с определяется по формуле Н.Н. Павловского:
с
1
Rу
nш
где nш – коэффициент шероховатости русла реки, у – показатель, являющийся функцией
nш и R. Значение nш изменяется от 0.02 до 0.06 в зависимости от характера русла

55. Прогноз и управление качеством воды рек под влиянием сброса сточных вод Расчет распространения примесей в водных объектах

Значение nш изменяется от 0.02 до 0.06 в зависимости от характера русла:
R<1 м ; у 1.5 nш
R>1 м
у 1.3 nш
В условиях широкой реки можно принять R=H, то есть гидравлический радиус равен
средней глубине реки Н. В этом случае χ=В, где В – ширина реки. Следовательно, R
может быть рассчитан как отношение F/B.
Для равнинных рек расчет коэффициента турбулентной диффузии может быть проведен
упрощенно (формула М.В. Потапова)
D
v ср Н ср
200
где Vср – средняя скорость водотока на участке между нулевым и расчетным створами,
м/с; Нср – средняя глубина водотока на рассматриваемом участке, м.

56. Прогноз и управление качеством воды рек под влиянием сброса сточных вод Расчет распространения примесей в водных объектах

Аналитический метод расчета разбавления сточных вод основан на применении
полуэмпирического уравнения турбулентной диффузии:
д2c д2с д2с
dс
дс
дс
дс
V x V y Vz D 2 2 2 F(c) 0
dt
дх
дy
дz
дх ду дz
где с – концентрация загрязняющих веществ мг/дм3, t – время, с; Vx, Vy, Vz –
компоненты скорости течения относительно составляющих координат (х –
продольная, у – от поверхности ко дну, z – по ширине потока); D – коэффициент
турбулентной диффузии (м2/с); F(c) – функция неконсервативности загрязняющего
вещества.
Это уравнение существенно упрощается при решении задачи в какой-либо одной
плоскости. Например, для решения плоской задачи распространения примесей по
длине реки используется уравнение
дc
д2c
Vx
D y 2 F(c) 0
дх
ду
Начальные граничные условия предполагаются, что спуск сточных вод принимается
стационарным для дс/дt=0, а ширина реки гораздо больше, чем глубина

57. Прогноз и управление качеством воды рек под влиянием сброса сточных вод Расчет распространения примесей в водных объектах

Обмен веществ через граничащую поверхность минимален, а ложе загрязнения водоема
непроницаемо для загрязняющего вещества, то есть сохраняется уравнение баланса.
Уравнение турбулентной диффузии можно записать в форме конечных разностей:
дифференциалы дс, дх и дz заменяются конечными приращениями Δс, Δх и Δz.
Тогда уравнение приобретает вид
D
Δ2
Δx C
ср
z2
ΔX Vср ΔZ
Расчет распределения концентраций по ширине и длине водотока ведется разбиением
расчетной области потока на расчетные прямоугольные клетки или элементы. По оси
Х таких элементов выделяется k, по оси Z – m. Каждому элементу присваиваются
индексы в соответствии с осями координат. Увеличение индекса на единицу
показывает переход от рассматриваемого элемента к соседнему. Изменениям
концентраций в каждом элементе присваиваются аналогичные индексы
K
K+1
Экстраполяция
CK1экстр
Боковая стенка
1
2
СКр1
K+2
Расчетное уравнение для
определения концентрации
x
загрязняющих веществ по
длине и ширине потока при
плоской задаче:
С k 1, m=0,5 C k, m 1 C k, m 1
СК+1, 1
СК, 2
m-2
CK, m-2
m-1
CK, m-1
m
CK, m
m+1
CK, m+1
m+2
CK, m+2
z
СК+1, m
Δх
Δz

58. Прогноз и управление качеством воды рек под влиянием сброса сточных вод Расчет распространения примесей в водных объектах

Уравнение турбулентной диффузии в форме конечных разностей: Δ C Dср Δz2
x
Значения ΔХ и ΔZ связаны следующей зависимостью
2
ΔX
Vср ΔZ
Vср ΔZ 2
ΔX
2D
При достижении загрязняющим веществом граничных поверхностей (берегов или урезов
рек) необходимо учитывать условия резких изменений скоростей взаимодействующих
потоков и, следовательно, распределение поля концентраций. Это условие в
конечных разностях можно записать в виде ΔC
0
граничной
ΔZ поверхност
и
Исходя из условий задачи (рис. (квадраты), поле концентраций и расчетную сетку можно
экстраполировать за границы поверхности. При этом экстраполяционное значение
концентрации Ск экстр должно быть равно Сk1, что и определяет правила
экстраполяции концентрации загрязняющих веществ.
В месте впадения загрязняющего притока (сброса сточных вод) обозначается начальный
створ, от которого ниже по течению схематизируется и делится на расчетные
элементы поток водоприемника. Условная площадь поперечного сечения притока в
месте его впадения рассчитывается: qст/Vср
Определение ширины загрязнения струи потока в нулевом (начальном) створе b
проводят по формуле
q ст
δ
b
Н ср Н ср Vср

59. Прогноз и управление качеством воды рек под влиянием сброса сточных вод Расчет распространения примесей в водных объектах

Определение ширины загрязнения
струи потока в нулевом
(начальном) створе b проводят
по формуле
q ст
δ
b
Н ср Н ср Vср
В соответствии с величиной b
назначается ширина расчетного
элемента ΔZ при береговом
сбросе сточных вод. Это
выражение связывается
следующей формулой:
ΔZ
q ст
b
2 2 V ср Н ср
K
K+1
Экстраполяция
CK1экстр
Боковая
стенка 1
СКр1
2
СК, 2
m-2
K+2
СК+1, 1
x
CK, m-2
m-1
CK, m-1
m
CK, m
m+1
CK, m+1
m+2
CK, m+2
СК+1, m
Δх
Δz
z
В первом приближении необходимо соблюдать условие, при котором величина ΔZ
должна быть не больше, чем 1/10 В. Элементы, соответствующие водотоку со
сточными водами, заполняются значениями концентраций

60.

61. Расчет разбавления и прогноз концентрации: альтернативные методы Экспресс-метод ГГИ

Метод М.А. Бесценной
Расчет кратности разбавления в зависимости от расстояния от места стока :
где
-эмпирический коэффициент неравномерности распределения примеси
в расчетном створе
где
- коэффициент извилистости русла,
- длина участка, измеренная по фарватеру,
- длина того же участка по прямой

62. Расчет разбавления и прогноз концентрации: альтернативные методы Метод аппроксимирующих функций

Метод разработан В.О. Михайловым. Основан на аппроксимации численных
решений уравнения турбулентной диффузии в форме конечных разностей.
Зона загрязнения
А1 - участок от створа выпуска
до створа,
где загрязненные воды
распространяются
по всей глубине реки
А1
А2- участок разбавления,
лежащий ниже участка А1
и включающий всю область разбавления
до створа полного перемешивания.
В пределах участка А2 происходит
распространение загрязненных вод
по всей ширине реки
и последующее
выравнивание концентраций
где β - безразмерный коэффициент,
зависит от места выпуска сточных вод в потоке:
β =14.4 - при выпуске в середине потока,
β =7.2 - при выпуске у одной из граничных
поверхностей (берега, дна, или свободной
поверхности потока),
β = 3.6 при расположении сброса на пересечении
двух граничных поверхностей.
Для определения ξ предлагаются две зависимости
А2
Створ
полного
перемешивания

63. Расчет разбавления и прогноз концентрации: альтернативные методы Метод аппроксимирующих функций

Для определения
предлагаются две зависимости:
Для больших расходов сточных вод,
когда в начальном створе потока они
занимают более 10% площади его
поперечного сечения:
применяется в случае, если в
начальном створе сточные воды
занимают менее 10% площади
поперечного сечения потока.
Здесь m - безразмерный
коэффициент, зависящий от
местоположения источника
загрязнения в потоке:
при выпуске в середине потока m=4,
при выпуске возле одной из боковых
поверхностей m=1;
k - эмпирический коэффициент, в
первом приближении k=3.
где х0 - параметр, имеющий размерность длины,
и учитывающий влияние на разбавление
соотношения между площадью загрязненной
струи и площадью всего сечения в начальном
створе потока
Значение
находится из условия
и затем может использоваться для
определения х0

64. Расчет разбавления и прогноз концентрации: альтернативные методы Метод Таллиннского политехнического института

Разработан Л.Л. Паалем и В.А. Сууркаском и основан на аналитическом решении
уравнения турбулентной диффузии применительно к простейшему случаю.
Алгоритм вычисления максимальной концентрации загрязняющих неконсервативных (в
общем случае) веществ в любом заданном створе, если выпуск сточных вод
находится на расстоянии b от берега:
где
- коэффициент дисперсии в поперечном направлении;
- коэффициент неконсервативности.
В условиях небольших рек
где
-гидравлический радиус,
- число Рейнольдса,
определяется по формуле
- динамическая скорость потока:
, где
- кинематический коэффициент вязкости потока
При большой ширине рек (В>100) коэффициент поперечной дисперсии
!
,
Авторы ограничивают применимость метода
случаями сравнительно небольших водотоков,
с коэффициентом извилистости меньше 1.5