Гідравлічні процеси формування якості води

Вода є тим фізичним середовищем, у якій водна екосистема здійснює кругообіг речовин й енергії. Крім того, для консервативних речовин гідравлічні процеси є єдиними з внутрішньо водоймних, що впливають на їх концентрацію.

При розрахунку переносу речовин і тепла потоками природних вод звичайно виходять із уявлення про пасивність домішки, тобто припускають, що наявність домішки не створює впливу на рух води й інтенсивність перемішування. Характер переносу речовини потоком залежить від виду руху рідини, що у свою чергу визначається типом водного об'єкта і його гідравлічних характеристик. У водотоках істотну роль у формуванні якості води відіграє конвективний перенос. Для водойм цей процес характерний тільки при наявності яскраво виражених стокових плинів (водоймища, проточні озера). У цьому випадку хід внутрішньо водоймних процесів багато в чому визначається ступенем проточності водойми. Кількісною характеристикою ступеня проточності є час водообміну, тобто період, за який відбувається повна заміна води водойми водами припливів. Часто в інженерній практиці використовується поняття умовного часу водообміну.

Умовний час водообміну визначає період водообміну при відсутності змішання вод припливів з водою водойми. У реальних умовах у проточних водоймах відбувається не тільки витиснення води, але і часткове (або повне) перемішування вод припливів з водою водойм, тому реальний час водообміну більше, ніж умовний.

Реальні водотоки є безнапірними турбулентними потоками, рух води в яких в сталих умовах має нерівномірний характер. Це пояснюється непризматичним характером русел реальних водотоків. Однак розрахункові залежності для нерівномірних потоків досить складні і незручні в практичному використанні. Тому в інженерно-екологічних розрахунках приймають, що на окремих ділянках водотоків рух води має рівномірний характер. При цьому ділянка природного неправильного русла заміняють яким-небудь призматичним, а ухил дна приймають рівним нахилу вільної поверхні або середньому нахилу дна реального русла. У цьому випадку для переносу речовини потоком можуть бути використані досить прості методи на основі рівняння нерозривності і формули Шези.

Більш складною задачею є облік ефекту турбулентності. Відмітною рисою турбулентного режиму плинів є пульсація швидкостей, тобто безперервна їх зміна в кожній точці потоку по величині і напрямку. Основними джерелами виникнення турбулентності є зони розриву швидкостей, тобто такі області, де спостерігається різкий стрибок швидкостей між прилягаючими шарами рідини. Пульсаційний рух обумовлює обмін між сусідніми шарами рідини. Цей процес одержав назву турбулентного перемішування. Турбулентне перемішування завжди спрямоване на вирівнювання концентрацій або температур. Оскільки цей процес по своєму результату аналогічний процесу молекулярної дифузії, то турбулентне перемішування називають також турбулентною дифузією. Від молекулярної дифузії цей процес відрізняється природою (джерело молекулярної дифузії - тепловий рух молекул, а турбулентної - пульсації швидкостей) і масштабом (масштаб молекулярної дифузії порядку 10^-8м, а турбулентної - порядку сантиметрів).

Турбулентна дифузія приводить до перемішування забруднених струменів рідини із суміжними, більш чистими. Результатом цього процесу є розведення стічних вод основним потоком. Розведення діє однаково як на консервативні, так і на неконсервативні речовини. Інтенсивність і характер перемішування стічних вод з водою водних об'єктів залежить від гідравлічних характеристик водного об'єкта, кількості і способу надходження стічних вод. Спосіб надходження стічних вод визначається типом випуску.

Найменш ефективними з погляду розведення є берегові випуски. Більш ефективні руслові випуски. Вони являють собою трубопроводи, виведені безпосередньо в русло в місцях найбільш інтенсивного плину. Трубопровід закінчується одним або декількома оголовками. Найбільш ефективним типом руслового випуску є розсіюючий випуск. Він являє собою трубу-розподільник, що має кілька оголовків, розташованих уздовж труби.

Для кількісної оцінки процесу розведення використовують різні методи. До числа найбільш уживаних відносяться метод Фролова-Родзиллера - для водотоків, метод Руффеля - для водойм і метод Караушева, що має універсальний характер.

Метод Фролова-Родзиллера дає можливість визначити концентрацію речовини в максимально забрудненому струмені на заданій відстані від випуску стічних вод по формулі:

де С_mах - концентрація речовини в максимально забрудненому струмені, г/м³; С_ф - концентрація речовини у воді вище випуску стічних вод (фонова концентрація), г/м³; С_ст- концентрація речовини в стічній воді, г/м³; n - кратність розведення стічних вод на заданій відстані від випуску.

Кратність основного розведення визначається по методу Фролова, кратність початкового розведення - по методу Лапшова. Метод Руффеля використовується для оцінки розведення стічних вод, що скидаються через заглиблені зосереджені випуски у водойми з переважним вітровим плином. Метод Караушева базується на рівнянні турбулентної дифузії. Він дозволяє одержати просторову картину розподілу концентрації для будь-яких типів водних об'єктів.