|
Расчет прогноза уровня загрязнения водного объекта (фенолы)Расчет прогноза уровня загрязнения водного объекта (фенолы)2 Министерство Образования Российской Федерации Кафедра промышленной экологии и БЖД Курсовая работа Расчет прогноза уровня загрязнения водного объекта (фенолы) Работу выполнил: Ст. гр. ЭКО-01 Работу принял: Доцент Братск 2005 ЗаданиеОпределить водный объект, в который поступают сточные воды с повышенным содержанием (указать ингредиент). Определить источник загрязнения. Привести гидрологические параметры, необходимые для расчета. Привести краткое описание методов расчета (не менее 2-х) прогноза уровня загрязнения. Выполнить расчет прогноза уровня загрязнения не менее чем 2-мя методами. Привести схему водного объекта с изолиниями концентраций загрязняющего вещества для плоской задачи. Дать сравнительную оценку полученных результатов расчетов по разным методам. 1. Краткая характеристика водного объектаБирюса (в нижнем течении Она) - берет свое начало на северном склоне Саянского хребта, водораздельный гребень которого покрыт снегом. Высота истоков Бирюсы достигает 1700 метров. Соединяясь на севере Канского округа с р. Удой (Чуна), Бирюса образует р. Тасеево, слева впадающую в р. Ангара, в нижнем течении от устья р. Илим называется еще Верхней Тунгуской. В верховьях Бирюса типичная горная река, протекающая среди дикой местности, местами в узкой и широкой долине. В нижнем течении спокойна и широка, долина ее доходит до 400 метров. Общая длина Бирюсы 1012 км, площадь бассейна 55,8 тыс. квадратных километров. В 25 км выше Бирюсинска идет сужение русла до 7-8 м, с продольными каменными гребенками и отдельными камнями, в большую воду высота валов достигает 2 м. За сужением Бирюса имеет ширину до 30 м и до заброшенного пос. Сергеевского на участке длиной 16 км представляет собой несложную шиверу. Через 3 км ниже поселка расположен Сергеевский порог длиной 200 м. Порог имеет 3 ступени, водопадного типа, с общим падением ем при ширине реки 10-15 м, просмотр (и возможный обнос) - по правому берегу. Далее долина реки расширяется, много завалов, почти полностью перегораживающих реку. Ниже места сброса сточных вод гидролизного завода долина Бирюсы снова сужается, по правому и левому склонам появляются старые гари. Затем начинается Муркинская система порогов, протяженностью около 18 км. Наиболее сложные пороги находятся за устьем левого притока - Прямой Мурки. За правым поворотом реки - плес 1,5 км потом сужение русла до 10 м. На участке 1,5 км река падает на 12 м уступами до 1,7 м. Правый берег - крутая каменная осыпь. Наблюдения на реке Бирюса проводятся в трех пунктах, пяти створах (четыре - третьей, один - четвертой категории).
По химическому составу вода у поселка Шиткино относится к гидрокарбонатному классу (54,3-111 мг/л), группе кальция (14,6-27,4 мг/л). Жесткость определялась от 0,098 ммоль/л в период летних паводков (очень мягкая вода) до 2,06 ммоль/л в конце зимней межени (мягкая вода). Содержание растворенного в воде Бирюсы кислорода в1998 году изменялось в пределах 6,81 - 14,25 мг/л (с крайними значениями у поселка Шиткино). Сумма органических веществ по ХПК составила 9,4 - 30,4 мгО2/л (пос. Шиткино), по БПК5 - 0,46 - 3,78 мгО2/л. Наиболее загрязнена вода в районе г. Бирюсинска и пос. Шиткино, где основным источником загрязнения являются сточные воды гидролизного завода. Максимальные концентрации загрязняющих веществ у пос. Шиткино составляли: нефтепродуктов 0,17 мг/л, азота аммонийного 0,17 мг/л, нитратного - 0,47 мг/л. 2. Источник загрязненияГлавным источником загрязнения реки Бирюса являются сточные воды Бирюсинского гидролизного завода. Вид деятельности завода: производство сельскохозяйственной продукции, биосырья, сельскохозяйственного сырья, в частности кормовых дрожжей, этилового спирта и фурфурола. В воде реки обнаруживаются следующие специфические вещества гидролизного производства: фурфурол, метанол, органические кислоты (уксусная, масляная), фенолы, нефтепродукты и др. В 1998 году из этих веществ с максимумом у города Бирюсинска обнаруживались фурфурол 0,080 мг/л, органические кислоты - масляная 0,35 мг/л, нелетучие 3,62 мг/л. ФЕНОЛ - простейший ароматический спирт, бесцветные розовеющие на свету кристаллы; исходный продукт для производства синтетических смол и других химикатов. ФЕНОЛ применяют также в качестве дезинфицирующего средства в медицине. Вдыхание влечет за собой раздражение слизистых оболочек, контакт с кожей - ожоги. Хроническое отравление приводит к поражению печени и почек, а также к изменениям со стороны крови. ФЕНОЛ оказывает вредное действие на наследственность. По поводу канцерогенного и тератогенного действия ФЕНОЛА имеются противоречивые мнения. Смертельной одноразовой дозой являются 10 - 15 г. ФЕНОЛ - это сильный яд для водоемов. Уже малые количества ФЕНОЛА приводят к изменению вкуса употребляемых в пищу рыб. Значительно превосходят ФЕНОЛ по токсичности широко распространенные хлорфенолы, напр, применяемый для консервации дерева пентахлорфенол (ПХФ). Превышение ПДК по фенолам было в 4 раза. В этой работе я попытаюсь определить. На каком расстоянии от данного створа концентрация загрязняющих веществ достигает уровня ПДК 3. Гидрологические параметры, необходимые для расчетаДля расчета прогноза уровня загрязнения водного объекта нам необходимы следующие параметры: расход реки (Qp - [м3/сек]), расход сточных вод (Qст - [м3/сек]) ширина реки (B - [м]), средняя глубина реки (H - [м]), концентрация загрязняющего вещества (Cст - [г/м3]). Также для расчета коэффициента турбулентной диффузии нам необходим уклон водной поверхности (I - ) 4. Описание методов расчетаМодели качества воды должны быть достаточно простыми в практическом исполнении, не требовать большого количества исходной информации, включать основные факторы формирования качества воды, обладать универсальностью и давать достаточно надежные результаты (или иметь хорошую оправдываемость). При моделировании качества воды необходимо учитывать динамику распределения загрязнений и их трансформацию по длине реки или по объему водоема (перемешивание и разбавление вод). Поэтому расчетные модели могут быть одно - , двух - или трехмерными. Однако существенное различие в методах расчета обычно сказывается вблизи места выпуска сточных вод, а в случае, когда это расстояние превышает 30 м, различные методы дают близкие результаты. Расхождение расчетных данных вблизи места выпуска объясняется сложностью учета характера начального разбавления. Как пример необходимого количества исходной информации при математическом прогнозе поля загрязнения в случае проектирования выпуска сточных вод может служить набор основных данных, позволяющих рассчитать распределение концентрации консервативного и неконсервативного загрязняющего вещества, а также дефицит кислорода в воде при береговом выпуске сточных вод: - минимальный расход воды 95% - ной обеспеченности в створе выпуска,- средняя глубина и ширина потока,- площадь поперечного сечения потока,- гидравлический уклон и радиус русла потока,- средняя и динамическая скорость течения,- фоновая концентрация и фоновый дефицит кислорода,- коэффициент скорости биохимического потребления кислорода,- коэффициент скорости реаэрации,- расход сточных вод на выходе из выпуска,- концентрация консервативного и неконсервативного загрязняющего вещества в сточных водах при выпуске. В зависимости от характера взаимодействия выброса и водного объекта и применяемой модели вид и количество составляющих будут несколько меняться. Степень сложности модели определяется количеством и надежностью исходной информации, возможностью использования вычислительных машин и их мощностью. Наличие разнообразных моделей прогнозирования качества вод обусловливает возможность выбора конечных результатов на основании оценки экономической эффективности рассматриваемых вариантов, в свою очередь учитывающих возможности управления водохозяйственными системами и их преобразования. При этом основными путями являются увеличение степени очистки сточных вод, усовершенствование или создание регулирующих водохранилищ. Преимущество отдается варианту. имеющему наименьшие капитальные вложения и эксплуатационные затраты при сохранении допустимых норм качества воды. Детальными методами будем называть численные методы решения уравнений турбулентной диффузии, позволяющие получать полу концентраций вещества в пределах всей расчетной области, начиная от источника загрязнения до некоторого расчетного створа. В общем, дифференциальном уравнении значения dc,dx,dy,dz заменим их конечными приращениями ?с, ?x, ?y, ?z. 4.1 Расчет детальным методом по схеме плоской задачи в координатах (х,z) 1. На плане реки или водоема обозначается место поступления сточных вод, и через него проводят поперечник. Ниже - речной поток схематизируют и делят на расчетные клетки. Скорость сточных вод, сбрасываемых в водный поток в месте поступления, принимается равный скорости течения реки. Вычисляется условная площадь поперечного сечения потока, в месте его впадения притока по следующей формуле: 2. При решении плоской задачи для расчета распределения концентраций Сст. В координатах - x,z необходимо определить ширину загрязненной струи потока в начальном створе. B 3. Величина b необходимая для назначения ширины расчетной клетки ?z. Наибольшая допустимая величина ?z при впадении сточных вод у берега принимается равной: b При выпуске сточных вод на некотором расстоянии от берега или на середину потока, тогда ?z может быть равна половине ширины загрязненной струи. 4. При расчете турбулентной диффузии рассматриваемую часть потока делят на клетки, соответствующие ?x и ?z, получая при этом расчетную сетку. Клетки, попадающие в струю притока сточных вод в начальном поперечнике заполняются числами, выражающие начальную концентрацию вещества, т.е. концентрацию вещества в сточных водах, остальные клетки заполняются числами, выражающими естественную концентрацию загрязняющего вещества в реке - это могут быть и нулевые концентрации. Если размеры клеток получаются очень малыми, то расчет с принятым делением ведется до определенного створа, в котором загрязняющее вещество окажется распределенным в 20-50 клетках. После этого клетки объединяют по 2-4 - для плоской задачи и по 4-9-для пространственной. Получая новые средние значения концентрации в клетках и новые линейные размеры клеток. Новые концентрации получаются как средние арифметические из объединенных клеток. Линейные размеры получают соответствующем умножением имеющихся размеров ?z и ?y. ?X укрупненной клетки определяется так: ?Xукр=?Xпред*25. Для нахождения промежутка, через который нужно устанавливать следующий створ рассчитаем величину m является функцией коэффициента Шези С и для пределов 10 С 60 связана с С следующей зависимостью: m = 0,7 С + 6при С 60 m = const = 48. 6. Коэффициент турбулентной диффузии, являющийся основным параметром при расчете перемещения в потоке, вычисляется по формулегде ср - среднее значение скорости на участке распространения загрязняющих веществ, м. c; Нср - средняя глубина на расчетном участке, м; g - ускорение свободного падения = 9, 81 м / с. 7. Теперь, зная расстояние между створами, строим поле концентрации загрязняющего вещества. Расчетные уравнения при решении плоской задачи -имеет следующий вид: 4.2 Экспресс-метод ГГИМетод разработан М.А. Бесценной. В качестве характеристики загрязняющего вещества в любом заданном створе/сечении принята величина ч. Показатель ч может быть использован как при неизменности расходов воды, так и в тех случаях, когда на рассматриваемом участке происходит изменение расхода потока. На основании графических построений выполнен анализ связи между интенсивностью снижения показателя разбавления ч вдоль потока и гидравлической характеристики потока получена зависимость: где х - расстояние, отсчитываемое вдоль потока от источника загрязнения до створа, на котором показатели разбавления принимают конкретное значение чц - параметр извилистости рекиLфар - длина фарватера рекиLпр - длина реки по прямой - безразмерная величина, определяемая из соотношения ширины и длины реки. 5. Расчет прогноза уровня загрязненияМетод 1. Расчет детальным методом по схеме плоской задачи в координатах (x; z).В реку Бирюса сбрасываются сточные воды Бирюсинского гидролизного завода. В створе, расположенном в 4,5 км ниже сброса сточных вод наблюдается превышение ПДК по фенолу, вычислим, через какое расстояние, концентрация загрязняющего вещества будет ниже ПДК. Данные за 28.04.98Qp = 266 м3/сVcp = 0,66 м/сQcт = 0,23 м3/сН = 2,99 мВ = 167 мСст = 0,013 г/м3 = 13 мкг/лСр = 0 г/м3I = 0.23 0/00ПДК (фенолы) = 0,001 мг/лОпределим площадь струи начальном сечении: Определим ширину загрязненной части в начальном створе: Предположим, что размер расчетной клетки равен Дz = 0,02 м, тогда количество клеток, расположенных в зоне загрязнения равно b/Дz=0.12/0.02 = 6 клеток. Рассчитаем коэффициент Шези по формуле: м1/2/сНайдем функцию коэффициента Шези: M = 0,7 * Cш + 6 =0,7 · 25,1 + 6 = 23,57Рассчитаем коэффициент турбулентной диффузии м2/сОпределим, через какой промежуток устанавливать следующий створ: 7. Находим концентрацию загрязняющего вещества в каждом створе через промежуток 0,4 метра. Строим поле концентрации фенола:
Так как загрязняющее вещество оказалось больше, чем в 20 клетках, то клетки можно объединить по формуле: ?Xукр=?Xпред*2 где - количество клеток, которые мы собираемся объединять в одну. Рассчитаем новое расстояние между створами: ?Xукр=0,4 · 22 = 1,6 м
Снова укрупним клетки ?Xукр=1,6 · 22 = 6,4 м
Ответ: на расстоянии 72 метров концентрация фенолов достигнет уровня ПДК и станет равной 1 мкг/л Метод 2. Экспресс-метод ГГИ Для сравнения определим расстояние до места, на котором концентрация загрязняющего вещества не превышает ПДК другим методом. Условие то же, а именно: в реку Бирюса сбрасываются сточные воды Бирюсинского гидролизного завода. В створе, расположенном в 4,5 км ниже сброса сточных вод наблюдается превышение ПДК по фенолу, вычислим, через какое расстояние, концентрация загрязняющего вещества будет ниже ПДК. Данные за 28.04.98 Qp = 266 м3/с Vcp = 0,66 м/с Qcт = 0,23 м3/с Н = 2,99 м В = 167 м Сст = 0,013 г/м3 = 4 мкг/л Ср = 0 г/м3 Сш = 25,1 м1/2/с М = 23,57 ПДК (фенолы) = 0,001 мг/л = 1 мкг/л Найдем отношение глубины реки к ее ширине: =H/B=2,99/167=0.0179 Найдем безразмерную величину, характеризующую турбулентный поток. 3. Найдем концентрацию загрязняющего вещества в потоке: мг/л 4. Зная, что величина ч рассчитывается по формулам: определим расстояние от места сброса сточных вод, на котором концентрация загрязняющего вещества не будут превышать ПДК, которое равно 1 мкг?л. м. Ответ: Концентрация ПДК достигнет уровня ПДК на расстоянии 4,2 метра. Сравнительная оценка полученных результатов расчетов: Результаты расчетов по детальному методу и экспресс-методу ГГИ довольно сильно различаются, хотя теоретически они должны быть одинаковы. Это можно попытаться объяснить несколькими причинами. Во-первых, вполне вероятна ошибка в расчетах, во-вторых довольно большую погрешность может давать большая разница объеме сточных вод и расходе реки. Далее, в первом методе поле концентрации строится по длине и ширине реки, не учитывая глубину. Может быть, еще одной причиной является то, что все-таки второй метод и называется экспресс-методом, т.е. он позволяет быстро определить концентрацию вещества на любом расстоянии, не учитывая многих параметров. Все-таки довольно большая разница в окончательных цифрах представляется мне довольно странной. К сожалению, проверить точность расчетов другими методами не представляется возможным поскольку расчет детальным методом по схеме пространственной задачи затруднен тем, что при расчетах размер клетки получается очень маленький, и, следовательно, количество слоев по глубине получается очень большое. Расчет общего разбавления детальным методом с учетом начального разбавления также невозможен по причине того, что сброс сточных вод в нашем случае осуществляется с берега, а не в середину живого сечения. Комбинированный метод затруднен тем, что мы не знаем некоторых начальных данных, таких как среднее значение абсолютной величины поперечной составляющей скорости на вертикали и максимальную глубину на данном участке реки. Список использованных материаловБарабаш О.И. Лекции по предмету Большая Советская Энциклопедия, т.7, 11 http: // skitalets. ru/books/reki_altsib/about. htm Государственный Водный кадастр. Ежегодные данные о качестве поверхностных вод суши. 1998 год, Том I (19) |
 |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ©2011 |
