авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 || 3 |

Исследование функционирования и подбор оптимальной конструкции рассеивающего выпуска сточных вод в условиях водоема и водотока

-- [ Страница 2 ] --

На графике отмечается наличие всплесков концентрации, соответствующих заданному числу оголовков в выпуске. С течением времени происходит постепенное выравнивание концентрации в каждом пятне и объединение их в единое «облако», которое в дальнейшем полностью растворяется. В центральном пятне отмечается максимальная концентрация, а на крайних пятнах концентрация уменьшается за счет влияния боковых течений в водоеме. Полученные функции соответствуют закономерностям процесса разбавления стоков в природных водоемах.

Математическая модель рассеивающего выпуска для условий водотока

Для условий водотока принимаются следующие допущения:

1) Водоток представляется в виде канала прямоугольного сечения BxH и длиной A (рис. 3).

2) Допущение, касающееся скорости движения речного потока, принимается аналогично случаю водоема (4).

3) Начальным условием при решении уравнения (2) является распределение концентрации в начальном створе водотока в момент времени t = 0:

(9)

4) Граничными условиями выступает дно, поверхность воды и берега, которые являются непроницаемыми для вещества и определяются:

;. (10)

5) Условие, определяющее створ на реке, в котором наступает полное разбавление поступившего вещества, записывается следующим образом:

. (11)

Применяя принятые допущения и используя метод Фурье получаем решение уравнения (1) для условий водотока:

(12)

где С(x,y,z) – функция начального распределения концентрации вещества.

Для адаптации математической модели (12) к реальным условиям разбавления были проведены расчеты в программе «Maple» (рис. 4, 5). На рисунках показан случай рассеивающего выпуска в водотоке при M = 3. Здесь наблюдается три пика концентрации, в соответствии с количеством оголовков. Далее происходит слияние отдельных «облаков» в единое, которое постепенно распространяется по всему сечению русла. На границах расчетной области концентрация соответствует условию (10). Смещение выпуска к оси z приводит к асимметрии значения концентрации на разных границах расчетной области, что обусловлено допущением (4). Следует отметить, что такой же характер распределения концентрации наблюдался А.И. Шишкиным и В.В. Мороковым в натурных и модельных экспериментах.

Изменение коэффициентов дисперсии влияет на распределение концентрации. При снижении поперечных коэффициентов Dy и Dz происходит спад интенсивности разбавления, стадия индивидуального распространения облаков до момента слияния становится продолжительнее (рис. 5).

Так, например, уменьшая Dy и Dz в 10 раз, время индивидуального распространения возрастает с 2 до 100 с (рис. 5). Сравнивая графики, также можно отметить, что при меньшем коэффициенте диффузии выравнивание концентрации в сечении русла замедляется.

Для верификации разработанных моделей в условиях водоема использовались данные ГУП «Водоканал СПб» по выпуску на Центральной станции аэрации (ЦСА) и Северной станции аэрации (ССА), а также результаты исследований Е.Ф. Кононова, Ю.К. Чернуса, В.В. Морокова.

Сброс сточных вод ЦСА осуществляется в корабельный фарватер Большой Невы. Выпуск состоит из 5-ти трубопроводов диаметром 1400 мм (рис. 6). Каждая нитка имеет по 8 оголовков с диаметром выпускающей части 400 мм, располагающихся через 4 м. В районе сброса средняя глубина H = 4 м, средняя скорость течения V = 0,15 м/с в период наблюдения, продольный коэффициент диффузии Dx = 0,5 м2/с. Для расчета выбирается ряд показателей качества воды (взвешенные вещества, БПК5, ХПК, Nобщ, Fe, Mn) и производится сравнение натурных и модельных данных.

Натурные измерения проводились в контрольном створе на расстоянии 500 м.

Концентрация загрязнений в очищенных сточных водах С0 по данным «Водоканал СПб» приводится в таблице 1, где также произведен пересчет их значения с учетом начального разбавления См. Мониторинг концентрации основных показателей осуществлялся службой Водоканала в точках 5а и 5б, которые располагаются на расстоянии 500 м от выпуска выше и ниже по течению (рис. 6).

Натурные данные и результаты модельного расчета приводятся в таблице 2. При анализе сравнивалось значение измеренной концентрации в водном объекте и смоделированной на ЭВМ, которые показаны в столбцах 4 и 5. При этом по каждому расчету определялась величина абсолютной и относительной погрешностей, указанных в столбцах 6 и 7. Отрицательный знак погрешности указывает на превышение натурных данных над модельными. На основании статистического анализа из набора результатов в таблице 2 выбрасываются выявленные «грубые ошибки», представляющие сильно заниженные результаты.

По ЦСА в 92,3% расчетов получено превышение смоделированного значения концентрации параметра над зафиксированной в водоеме, что свидетельствует о наличии санитарного запаса.

Большинство ошибок приходится на содержание взвеси в летне-осеннее время года. Оценивая динамику натурных измерений по взвешенным веществам можно заключить, что данные, значительно превышающие модельные результаты не попадают под систематику остальных измерений и могут быть следствием гидрологического режима, результатом ошибок при натурном измерении, а также результатом нестационарного сброса.

По ССА количество результатов, в которых присутствует санитарный запас, составляет 84%. Результаты модельных экспериментов по данным Е.Ф. Кононовой, Ю.К. Чернуса, В.В. Морокова также подтвердили соответствие расчетов натурным измерениям и наличие санитарного запаса.

Для верификации зависимости (13) применялись результаты натурных экспериментов В.П. Рогуновича в оросительном канале, Л.П. Гореловой в реке Клязьме, П.М. Ровински в реке Нарев, Ю.А. Ибад-Заде в реке Куре, Л.И. Руги в гидравлическом лотке. Результаты моделирования показали хорошую сходимость расчетных результатов с натурными данными.

2. Разработан алгоритм и программное обеспечение для инженеров «DISPERSION DISCHARGE IN A SEA»

С целью обеспечения удобства и быстроты прогноза качества воды предлагается использовать программу «DISPERSION DISCHARGE IN A SEA» («Рассеивающий выпуск сточных вод в море»), разработанную автором при участии инженера-математика А.А. Семенова. Программа имеет свидетельство о государственной регистрации № 2012610388 от 10 января 2012 года

Главной функцией программы является расчет кратности общего разбавления сточных вод и получение поля концентрации в процессе основного разбавления для различных конструкций рассеивающего выпуска.

Расчет начинается с введения исходных данных. На основном интерфейсе (рис. 7) задаются параметры водоема, размеры начальных пятен, определяется число оголовков, модификация распределительного трубопровода и параметры расчета, которые устанавливают расчетную область, и продолжительность распространения примеси в водоеме. После введения всех характеристик производится расчет. Результат (рис. 8) выводится на вкладке «Графики концентраций».

Расчетная область выделена координатной сеткой. Для работы с полем концентрации курсор наводится на интересующую точку пятна. При этом рядом с курсором появляется окно с координатами и значением концентрации.

3. Исследование факторов, определяющих эффективность разбавления сточных вод от рассеивающего выпуска.

На рис. 9 показаны основные конструктивные параметры: количество оголовков (M), диаметр отверстия d0, угол поворота конфузора (0), высота подъема оголовка (yд), глубина водного объекта H, расстояние между оголовками (lв ).

На основании обобщения существующих результатов, произведена оценка эффективности начального разбавления для рассеивающего выпуска. На рис. 10 приводятся примеры функций зависимости кратности разбавления nн от количества оголовков M, глубины водного объекта H или параметра m. Параметр m является отношением скорости потока в водном объекте к скорости истечения.

В водоеме кратность разбавления nн увеличивается при возрастании глубины H и увеличения числа оголовков M (рис. 10, а), минимальной высоте оголовков над дном yд (рис. 10, б), минимальном угле поворота конфузора относительно дна 0 (рис. 10, в). В реке увеличение nн происходит в случае уменьшения параметра m и увеличения числа оголовков M (рис. 10, г).

Далее в работе рассматривается процесс основного разбавления. Основным фактором, определяющим кратность основного разбавления nо, является количество оголовков M и расстояние между краями начальных пятен b. Используя зависимость (8) для условий водоема (озеро, море) построены графики изменения концентрации по мере увеличения M и b для различных створов (рис. 11). Полученные значения концентрации приводились к относительной величине C/Cм.

На рис. 11 наблюдается интенсификация процесса основного разбавления на 25-50% за счет увеличения расстояния между оголовками b = 110 м для створов x = 10, 50, 100, 500 м. Данная закономерность объясняется увеличением влияния боковых течений на каждое начальное пятно. Негативным условием, ограничивающим возможность увеличения рассеивающей части выпуска, является возрастание стоимости строительства. Поэтому при подборе выпуска необходимо руководствоваться соответствием необходимого эффекта разбавления минимальной величине затрат.

Для расчета разбавления в реке использовалась зависимость (12). На рис. 12, а показан пример функций, отражающих снижение разбавляющей способности в реке шириной 50 метров по мере увеличения числа оголовков. С возрастанием числа оголовков происходит снижение эффективности разбавления, вызванное возрастанием нагрузки и области сброса сточных вод.

Аналогичные графики построены при изменении ширины реки и постоянной конструкции выпуска (рис. 12, б). В створах, близких к области сброса наблюдается отсутствие влияния стенок русла для различных конструкций. Далее по мере расширения струи и приближения потока к контрольному створу в 500 м проявляется влияние стенок русла. Распространение примеси по сечению реки уменьшает доступ чистой воде к загрязненной струе, что в первую очередь снижает кратность разбавления в реке с меньшей шириной.

Следующий расчет характеризует влияние конструкции выпуска на эффективность разбавления стоков в зависимости от расположения оголовков. Для сравнения выбран вариант функционирования выпуска из 5 оголовков для водотока шириной 50 м (рис. 12, в) и 500 м (рис. 12, г) при изменении относительного расстояния b/Bп от 0 до 10.

Далее в условиях водоема рассматривается влияние на эффективность основного разбавления поворота диктующего течения относительно распределительного трубопровода выпуска. Расчет поля концентрации выполнен для створа 500 м при увеличении числа выпускающих оголовков и повороте течения от 0° до 90°. По результатам исследования получено, что увеличение угла поворота приводит к снижению эффективности разбавления (таблица 3).

При этом возрастание концентрации примеси в контрольных створах происходит вплоть до момента поворота распределительной трубы на 90°, где наблюдается наибольшее значение. Также эффективность разбавления снижается по мере увеличения числа оголовков.

Полученные закономерности могут объясняться следующим образом. Поворот течения изменяет распределение концентрации загрязняющего вещества, от равномерного при классическом выпуске (рис. 13, а) до неравномерного, со смещением максимальной концентрации в зону нижнего по течению пятна (рис. 13, б). Данный фактор ухудшает условия разбавления за счет увеличения степени взаимного влияния между соседними струями. В случае поворота на 90° происходит объединение соседних пятен с образованием области повышенной концентрации в голове общего пятна (рис. 13, в).

Далее рассмотрены модификации рассеивающего выпуска при повороте распределительной трубы относительно оси симметрии (рис. 14, а). Конфигурация трубы (рис. 14, б) варьируется с помощью углов 1 и 2 с шагом 45°. Конструкции делятся на две группы. К первой относятся выпуски, распределительная труба которых повернута так, чтобы направление вершины угла совпадала с течением (рис. 14, б, № 1-5). Ко второй группе относятся конструкции с вершиной угла, направленной противоположно течению (рис. 14, б, № 6-10). Расчет концентрации производился для выпуска из 11 оголовков. На рис. 14, б конструкции выстроены в порядке снижения эффективности разбавления. Снижение эффективности при сравнении выпуска №1 и №10 составляет 87,5%.

Выпуск №1 V-образного типа работает эффективнее классического на 56,7%.

Во времени условия эксплуатации могут меняться (производительность станции очистки, гидрологические условия), поэтому в условиях реки предлагается производить оценку изменения режима функционирования выпуска. Для увеличения интенсивности разбавления из работы выводятся чётные оголовки. Отключение оголовка может выполняться путем заваривания выпускающего отверстия. Расчет показывает возрастание начального разбавления на 16,5 % с учетом фактора стеснения струи. Обязательным является гидравлический расчет выпуска.

4. Разработана методика определения оптимальной конструкции выпуска с учетом затрат на очистку сточных вод и стоимости выпуска

В работе представлены основные этапы методики по каждому из вариантов водного объекта:

1) Назначение конструкций выпуска и точек сброса сточных вод. Для сброса используется сосредоточенный и рассеивающий выпуски с различными модификациями распределительного трубопровода. Область сброса определяется нормативными документами и гидрологическими условиями.

2) Расчет кратности начального и основного разбавления сточных вод. Начальное разбавление определяется по методике Н.Н. Лапшева. Основное разбавление рассчитывается по зависимостям автора и сводится в таблицу 4.

3) На основании качества сточных вод устанавливается технология очистки. Для принятой схемы очистки составляется таблица 5, где руководствуясь значениями предельно допустимой и фоновой концентрации, определены значения необходимой кратности разбавления n по каждому этапу очистки.

4) Сравнение кратностей разбавления в таблице 4 и в таблице 5 для назначения конструкции выпуска, позволяющей обеспечить санитарную безопасность водного объекта при различной степени очистки.

5) Расчет стоимости строительства каждой конструкции выпуска. Для определения стоимости использовались федеральные единичные расценки на проведение подводно-строительных работ, на основании которых был выполнен расчет в базовых ценах (таблица 6). Далее с помощью индексов изменения сметной стоимости затраты приводятся к текущим ценам.

6) Определение затрат при эксплуатации выпуска (амортизационные отчисления и плата за негативное воздействие на окружающую водную среду).

Плата за негативное воздействие выполняется в соответствии с постановлением Правительства РФ №344 от 12.07.2003.

7) Расчет стоимости затрат на очистку сточных вод выполняется с помощью функциональных зависимостей капитальных (Ki) и текущих затрат (Ci) от производительности очистной станции q (13), полученных при изучении технико-экономических показателей работы ряда станций очистки сточных вод.

, (13)

где 1,2 и 1,2 коэффициенты, зависящие от способа очистки.

8) Суммирование приведенных затрат по каждому выпуску и соответствующей ему станции очистки. Выбор оптимального варианта сброса.

Разработанные рекомендации использованы ООО «Проектно-строительным бюро КОНСТРУКТОР» при выполнении проектной документации для обоснования конструкции выпуска в р. Волхов (шифр проекта: 34.060/12). В проекте производилась оценка размера ущерба при возможном вынужденном сбросе неочищенных сточных вод по объектам воспроизводства рыб. При этом использовались данные ГОСНИОРХ по месту выпуска в реке и учитывались положения Приказа Росрыболовства от 25.11.2011 №1166. При изменении конструкции существующего рассеивающего выпуска с увеличением числа оголовков с 5 до 10 получен экономический эффект в снижении ущерба по объектам воспроизводства рыб на 582 224 руб. (в ценах 2012 г.).

Также результаты исследования и программа «DISPERSION DISCHARGE IN A SEA» использованы в проектной деятельности «Группы компаний «ИНЖЕНЕРНЫЕ ЭКОСИСТЕМЫ» (шифр проекта: 01/2013) для разработки проекта выпуска очищенных сточных вод в акваторию Угольной гавани.

Общие выводы

1. Получено аналитическое решение уравнения турбулентной диффузии и подобраны функции начального распределения концентрации, которые позволяют моделировать условия функционирования классической конструкции рассеивающего выпуска в водоеме и водотоке, а также его модификации в зависимости от формы распределительного трубопровода. Проведена верификация модели с использованием данных функционирования существующих выпусков ГУП «Водоканал СПб» по показателям качества воды: взвешенные вещества, БПК5, ХПК, Nобщ (общий азот), Fe3+, Cu2+.

2. Для прогнозирования качества воды в водоеме составлена программа «DISPERSION DISCHARGE IN A SEA». В программе предусмотрен расчет начального разбавления по методике Н.Н. Лапшева и основного разбавления с помощью модели предлагаемой автором. Результатом расчета является нестационарное поле концентрации в водном объекте. Данная программа апробирована на натурных данных и может использоваться в инженерной практике. В программе предусмотрена одномерная направленность диктующего течения в водоеме. Поэтому применение программы ограничивается створами близкими к выпуску, включая контрольный в 500 м.

3. Исследование работы рассеивающего выпуска при увеличении расстояния между оголовками показало индивидуальный характер разбавления стоков в разных водных объектах. В водоеме во всех створах после точки сброса наблюдается рост эффективности разбавления от 25% до 50%, который сохраняется даже на удаленных створах. В условиях водотока существенное влияние оказывают стенки русла, поэтому изменение конструкции выпуска приводит к существенным изменениям концентрации только в створах, близких к точке сброса. В дальнейшем по ходу течения концентрация примеси выравнивается по сечению русла, и условия разбавления существенно не меняются.



Pages:     | 1 || 3 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.