Прогноз качества воды и защита водозаборных сооружений на малых реках

2
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ........................................................5
1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ КАЧЕСТВА ВОДЫ В ВОДОТОКАХ И СУЩЕСТВУЮЩИЕ КОНСТРУКЦИИ НАНОСОИЕРЕХВАТЫВАЮЩИХ УСТРОЙСТВ ПРИ ВОДОЗАБОРАХ ИЗ РЕК.............................................18
1.1. Изученность процессов смешения и разбавления сточных......
вод в водотоках..............................................18
1.2. Детерминированные модели качества воды в водотоках......26
1.2.1. Одномерные модели турбулентной диффузии.............29
1.3.Определение коэффициентов турбулентной дисперсии в водотоках ..35
1.4. Классификация водозаборных сооружений...................40
1.5. Рассмотрение конструкций водозаборных сооружений на реках с обильными донными наносами...................................42
1.5.1. Бесплотинные водозаборы.............................43
1.5.2. Приплотинные водозаборы.............................49
Выводы .........................................................62
2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОЛЕЙ КОНЦЕНТРАЦИЙ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ В ВОДОТОКАХ............................................64
2.1. Поле концентрации мгновенного точечного выпуска.........64
2.2. Границы зоны загрязнения, создаваемой мгновенным..........
точечным выпуском............................................75
2.3. Границы загрязнённой струи и зоны загрязнения.............
при стационарном выпуске.....................................82
2.4. Поле концентрации, создаваемое рассеивающим сбросом сточных вод, расположенным вдоль берега...................................86
2.5. Диффузия растворённого вещества из водной среды в донные наносы93
3
2.6. О влиянии движения донных гряд на скорость обмена растворёнными
веществами между наносами и водой водотока.......................99
Выводы..........................................................109
3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТУРБУЛЕНТНОЙ ДИФФУЗИИ В ВОДОТОКАХ.......................................................111
3.1. Подобие полей концентрации загрязняющих веществ в водотоках.. 114
3.2. Определение коэффициента диффузии Dy.....................
по данным о поле концентрации...................................117
3.3. Проверка расчётных зависимостей по экспериментам...........124
3.4. Подобие полей концентрации загрязняющих веществ в донных
наносах, определщше коэффициентов диффузии......................136
Выводы..........................................................145
4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ СМЕШЕНИЯ И РАЗБАВЛЕНИЯ СТОЧНЫХ ВОД С ВОДАМИ ВОДОТОКОВ.........................................................146
4.1. Влияние условий выпуска на процесс разбавления сточных вод.146
4.2. Лабораторные исследования процессов смешения и разбавления загрязняющих веществ на гидравлической модели...................149
4.3. Определение слоя взаимодействия донных отложений и потока..175
4.4. Экспериментальные исследования.............................185
4.5. Результаты экспериментальных исследований..................188
Выводы..........................................................200
5. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРЕДЛАГАЕМОЙ КОНСТРУКЦИИ НАНОСОПЕРЕХВАТЫВАЮЩЕЙ ГАЛЕРЕИ...........................................................202
5.1. Вывод расчётной зависимости для определения пропускной способности нпгалсреи...........................................202
33
его соавторы получили решение в виде двухмерного экспоненциального функционального ряда. Близкое по виду решение получено В.М. Шестаковым. H.H. Лапшев получил решение в виде тригонометрического ряда.
Все точные аналитические решения (15) и (16) получены в виде одномерных и двухмерных функциональных рядов с тригонометрическими и экспоненциальными членами. Поэтому возникают трудности при их применении в связи с тем, что количество членов ряда, которых необходимо брать, чтобы подучить решение с достаточной точностью, может значительно меняться от створа к створу, и сколько их брать в каждом конкретном случае обычно не указывается. Особенно тяжело работать с тригонометрическими рядами.
Ввиду трудностей, возникающих при применении точных аналитических решений предложены более простые, хотя и менее точные решения уравнений (15) и (16). В.А. Сууркасск и Л.Л. Пааль [24,25], а также В.В. Мо-роков и И.С. Шахов [19] для учёта граничных условий используют усечённое нормальное распределение. Это позволяет упростить вычисления, однако, при этом граничные условия выполняются недостаточно точно и на значительных расстояниях от створа выпуска у решения возрастает погрешность, поэтому применять данные методы надо достаточно осторожно.
Для получения простых аналитических решений используют также аппроксимацию громоздких точных решений уравнения (15), стараясь при этом сохранить их точность [41,45]. Очевидно, что при этом происходит определенная потеря точности.
Интерес представляет предложенный М.В. Аппелем [26] способ учёта непризматичности русла у реальных потоков. Автор опирается на некоторую модификацию уравнения (15), удобную в случае значигельной неравномерности поля глубин и скоростей в поперечном сечении потока. Расчётные зависимости предложенные М.В. Аппелем, справедливы только для линейных береговых сбросов, необходимо получить аналогичные формулы
34
для других случаев.
Подводя итог обсуждению двухмерных и трехмерных моделей следует отметить, что основные трудности при их построении возникают при учете граничных условий. Уравнение (16) в безграничном пространстве решается легко для довольно большого класса задач.
В.А. Фролов и Н.Д. Родзиллер исследуют процесс перемешивания сточных вод с потоком на основе отличного от (6), более простого дифференциального уравнения:
Получены расчётные зависимости для определения концентрации в максимально загрязнённой струе, в минимально загрязнённой, зависимости для коэффициента смешения и расстояния до створа с заданной степенью перемешивания. Метод привлекает своей простотой и доступностью и в ряде случаев достаточно хорошо описывает процесс перемешивания [39]. Однако, как указывает Н.Д. Родзиллер и М.А. Бесценная [16,42], сравнение экспериментальных и расчётных зависимостей показывает недостаточную его точность для ряда водных объектов. В связи с этим применять его надо с достаточной осторожностью.
В тех случаях, когда пренебрегают диффузионным переносом, а интересуются только процессами биологического и химического самоочищения применяют одномерные модели. Они применимы для тех створов, где уже произошло выравнивание концентрации в поперечном сечении, а градиент концентрации в продольном направлении можно считать нулевым. Для построения таких моделей используется уравнение вида:
Это уравнение является частным случаем уравнения (6) и отличается от него отсутствием диффузионных и конвективных членов.