Караушев Методические основы оценки и регламентирования антропогенного влияния на качество поверхностных вод

В последующих выкладках будет использоваться параметр % кото­ рому при выполнении расчетов следует придавать смысл х т или х [ в

зависимости от того, производится регламентирование по нескольким веществам или по одному.

Продолжительность третьего периода ДТ3 в принятых единицах из­

мерения времени (в секундах)

А Т 3 = ТгодА тЗ>

<10-45)

где Дт3 —относительная продолжительность третьего периода.

Момент времени, отвечающий прохождению расхода Q j» на указан­ ной кривой определяется равенством

г2 =0,95 - Д тг

(10.46)

Пользуясь аналитическим выражением кривой вероятности превы­ шения для равнинных рек (10.37), находим

T2 = ( a(W Qe2) 1/r-

(Ю.47)

Учитывая равенство (10.46) и переходя к абсолютному выражению времени, получаем

Д Т 3 = Тгод Г° ’95 - № е , р ! % 2У1/г] •

( I 0 -48)

Пусть часть расхода сточных вод, поступающая в третий период в на­ копитель, будет

QCTH = EQCI.	(10.49)
При этом в реку будет сбрасываться расход
Qcxp = (* - E)QCT-	(10.50)

Предельно допустимый сброс сточных вод в реку в третий период при регламентировании по нескольким веществам определяется ра­ венством

a - E ) Q c Ts CIRCT= ( l - - S e R e)Qe 9 5,

(10.51)

гДе Qe95 - расход 95 %-ной вероятности превышения в реке.

В общем виде для нескольких веществ или для одного вещества будем иметь

211

E = l - x Q e 9 5 /QCT-

(Ю .52)

Расход сточных вод , поступающий в третий период в накопитель, будет

Q CTH ~ Q CT - XQe 9 5 ’	(10.53)
соответственно сброс в реку определится равенством
Qcxp= xQe95.	(10.54,

Теперь можно определить объем накопителя сточных вод W . Оче­ видно, что

Wh = Q cthA T 3 ’

0 ° - 5 5 )

ИЛИ

WH = « с х - x < W A T 3’

( 10-56)

при этом Д Т 3 вычисляется по формуле (10 .48). В принятой системе единиц (врем я — с, расход воды — м /с) объем накопителя получает­ ся в м .

10.4.3. Оценка условий сброса сточных вод

из накопителя в первый период

Впервый период в реку сбрасывается полный расход сточных вод и одновременно производится вы пуск сточных вод из накопителя. В течение этого периода накопитель должен быть опорожнен.

Задача заключается в определении конца ( 1 ^ ) и продолжительности

(AT j) первого периода, а также в установлении расхода сточных вод, вы пускаемы х из накопителя QHaKОтносительная продолжительность первого периода Д г j выражается соотношением

Д Ч	= Д Т 1/Тгод-	0 ° - 57)
Непосредственно по кривой вероятности превыш ения (см. рис. 10.1)
имеем
Л т 1	= Т 1 - ° > 0 5 -	(10.58)
По	условию задачи суммарный вы пуск	сточных вод (Q CT + QHaK)
в реку	в первый период должен быть таким , чтобы обеспечивалось в

212

течение всего периода удовлетворительное качество воды в реке ниже сброса. Вследствие приближенности решения не будем учитывать воз­ мож ны х процессов самоочищения сточных вод в накопителе, а будем принимать концентрацию сточных вод на выходе из него равной кон ­ центрации на входе. При оценке ПДС в р ек у это явится некоторы м до ­ бавочным "запасом прочности” . Указанное выш е условие выполняется, если

Q el = (QcT + 9HaK)/X ,	(10.59)

где Qel - наименьший расход вод ы в первый период (расход при ), т. е. на границе первого и второго периодов. При записи выражения (10.59) принято, что (Q CT + QHaK) Qe . Если принять требование о

постоянстве расхода QHaK за весь первый период и учесть, что за этот период накопитель должен полностью опорожниться, то

						(10.60)
						(10.61)
Теперь условие допустимости сброса				суммарного	расхода	(Q CT +
+ Q „ev)	в реку (10.59) запишется в виде
д а К
X = Q CT/ Q e 1 + W H /t (T 1 - 0 , 0 5 ) T			0 1]			(10.62)
		год	е 1	*
В соответствии с уравнением кривой				вероятности превыш ения для
равнинных рек имеем
					(10.63)
П одставляя это выражение в форм улу (10 .62), находим
Х= { о ст + W„ / [ ( т х -		0 ,0 5 )Т год] } r-/(a Q e cp).			(10.64)
Предлагается графический метод			решения, в котором некоторая
ф ункция f ( T ) ' представляет правую часть уравнения					(10.64)	с произ­
вольны м аргументом г , т. е.
W	=HT+ W„ / ^	” 0-05) Tro«]}	тГ/ ( а(Зе.ср)-			(10.65)
И скомое значение		отвечает равенству
f(^}) =Х*						(1 0 .6 6 )

213

Определив т^, без труда находим по приведенным выш е ф ормулам все интересующие нас величины, именно Д г р Q„aK> Qe l - Значение х определяется при этом по формуле (10.42) или (10.44) в зависимости от того, регламентируется сброс по нескольким вещ ествам или по од­ ному.

10.4.4. Вычисление предельно допустимых сбросов

Рассмотрим ф ормулы	ПДС для нормирования по нескольким вещ ест­
вам. Запиш ем выражения секундного		сброса массы вещества в реку
для каж дого из трех периодов:
для первого периода
Mm I = ScT(Qcx + (W	>	( 10'67>
для второго периода
Mm I l = S cxQcx’		<10-68>
для третьего периода

(,0 -69)

Предельно допустимые секундные сбросы для первого периода опре­ деляю тся следующими соотношениями:

для массы нескольких веществ
Mm I n f l = 0 - S eRe)Qe l /RCI>	(10.70)
для массы одного вещества
M i,nfl = ( IW K i - s ei)Qe i.	(10.71)

Заметим , что формула (10.71) мож ет быть получена непосредствен­ но из (1 0 .7 0 ), если значения R записать в ней для одного вещ ества.

За весь первый период может быть сброшена следукгдая масса за­ грязняю щ их веществ (в единицах массы) :

Рт1П Д = ^ ^ SeR e ) T r o flA Tl Q el<'Rcr-'

(10 .72)

секундный и суммарный сброс за второй период соответстеенно:

М т И П Д = 0 - W < W R cr>

0 0 . 7 3 )

214

II ПД	' ^ е ^ е ^ г о д ^ Г2 ^ е 2 ^ с т ’	(10.74)
за третий период

МШIII ПД	^	Se Re ^ e 9 5 '/Rci	(10.75)
и соответственно
Рш Ш П Д "	t 1	SeRe ) TroflA7‘3 ^ e9 5 ^ R CT'	(10.76)

В случае лимитирования по одному вещ еству ф орм улы для расчета ПДС вместо выражения (1 — SeRe) /RCT в правой части будут содержать разность (ПДК* - se i ) .

Допустимый годовой сброс сточных во д в реку определяется сум ­ мой

Рш ГОД ПД P m I ПД + Pm И ПД + Р т III ПД	(10.77)
или
	(10.78)

(10.79)

Если истинный естественный годовой сток реки обозначить Пе , то имеет место следующее очевидное неравенство: П£ > П .

Д ля прикидочных расчетов, по-видимому, можно принять

(10.80)

Соответственно для предварительной прикидки, позволяющей при­ нять решение о целесообразности организации регулируемого сброса сточных во д в реку и в дальнейшем более оперативно выполнить вы ­ числения по изложенной выш е методике, можно использовать формулу

Р 1П год ПД ~		^eRe ^ e ^ Rct	(10.81)
Оценив	на основании этой ф орм улы ориентировочное значение д о ­
пустимого	сброса и назначив соответствующие ем у QCT и Sgx, опреде­
ляю т Мт	по периодам в соответствии с изложенной выше методикой,
что позволяет		корректировать предварительные наметки и получить

215

Г0.5. Нормирование сбросов сточных вод

возера и водохранилища

10.5.1.Нормирование сбросов по концентрациям лимитирующих веществ

вместах водопользования

Установление ПДС в водоем при наличии в месте вы пуска сточных вод более или менее постоянного однонаправленного течения и при допус­ тимости регламентирования сброса по одному лимитирующ ему репре­ зентативному для данного вида сточных вод вещ еству осущ ествляется по значению кратности разбавления данного вещества. Практически методика таких расчетов не отличается от м етодики, разработанной для речных потоков. К ратко остановимся на случае регламентирования сброса по одному вещ еству. Если ф оновая (естественная) концентра­ ция данного вещ ества в водоем е sg . не равна нулю , то кратность раз­ бавления на лимитирую щ ем расстоянии определяется соотношением

ni= (sC T i - Se i ) ^ SMaKci-Se i)-		( 10‘82)
Предельно допустимое состояние отвечает условию
n i П Д ~ ^sct i “ se Ф Д К ] — se -).		(10.83)
Значение	получают с помощью расчета разбавления (турбулентной
диф ф узии ).	Расчет диффузии выполняется детальным методом , осно­

ванны м на численном решении уравнения турбулентной диффузии, за­ писанного в декартовы х или цилиндрических координатах /30, 39/. В ряде случаев может применяться так называемый комбинированный метод /9/. Подробное изложение указанны х методов дано в соответст­ вую щ ем разделе настоящей монографии.

Предельно допустимый сброс загрязняю щ его вещ ества со сточными

водами выражается формулой
М 1 П Д =	sei) + s e i ^ c f	(10.84)
При se i = 0
М Ш Д = *1 ПДВ Д К А т ‘		(10.85)
Значение	QCT выбирается на основании	экономических и техничес­

ких соображений, но от него	зависит и кратность разбавления п -, поэ­
тому окончательное решение	в отношении QC1^ и его	сочетания с sc t j
принимается на основании	оценки значении	по ф ормулам

216

(10.84)	- (1 0 .8 5 )	с учетом указанных выш е соображений.
При	нормировании сбросов		по нескольким вещ ествам одного ЛПВ
основываются на		обобщенной	характеристике кратности разбавления

побщ ^ с т ^ е - ^ ^ м а к с Se^’	(10.86)

используя показатели RCT и Re . Расчетные ф ормулы ПДС при фоновых концентрациях, не равных нулю , имеют вид

(10.88)

Путь оценки ПДС и соотношения между QCT и ScT тот же, что и ука­ занный вы ш е при рассмотрении расчетных ф ормул для одного вещества.

Приведенные ф орм улы для вычисления ПДС применимы лишь в тех случаях, когда объем озера или водохранилища достаточно велик и рассматриваемый вы пуск сточных во д не приводит к появлению и воз­ растанию содержания лимитирующ их веществ в его водах. Если вы пуск заметно влияет на фоновую концентрацию, то применяется метод изложенный ниже.

10.5.2. Нормирование качества воды

по средней концентрации консервативных лимитирующих веществ в водоеме

В практике могут встретиться случаи, когда допустимо нормирование качества воды по средней во всем водоеме концентрации лимитирую­ щих вещ еств. В общей постановке задача о таком нормировании ре­ шается на основе учета внешнего водообмена водоема. В частности, для приближенного решения может быть использована модель, предложен­ ная в работе /34, 44/. Рекомендации по нормированию сбросов в во­ доемы в настоящее врем я могут являться только приближенными. Ни­ же остановимся на сравнительно простых случаях, которы е, однако, довольно часто м огут встречаться в практике.

О сновным условием применимости упомянутой модели водообмена является хорошее перемешивание сточных вод с водами водоема за

врем я	перемещения водны х	масс от источников загрязнения до ис­
тока из	водоема. Чтобы это	осуществилось, место вы пуска сточных

вод должно находиться на достаточном удалении от истока из водоема. Следует учитывать, однако, что некоторая неполнота перемешивания мало сказывается на конечном результате л . е. на значении концентрации

217

вещества в водотоке, вытекаю щ ем из водоема.

Ход реш ения задачи о нормировании сброса в той постановке, в к о ­ торой она рассматривается в настоящ ем разделе монографии, не зави- chi от того, производится сброс через один или через несколько выпус­ ков, расположенных в разных частяхводоема, через сосредоточенные или через рассеивающие вы пуски, лишь бы ни один вы пуск не находился близко от истока из водоема. Важным при этом является условие оди­ наковости состава сточных вод, сбрасываемых через все вы пуски. Если указанные условия выполняю тся, то фигурирующий в приводимых ниже формулах расход сточных вод QCT может рассматриваться либо к ак расход одного вы пуска (при одном источнике загрязнения), либо к ак суммарный расход сточных вод , поступающих в водоем через все учитываемые вы пуски, сбрасывающие примерно одинаковые по соста­ в у сточные воды . Очевидно, что содержащ аяся в формулах концентра­ ция лимитирующ его вещества в сточных водах sctj должна при этом трактоваться соответственно к а к концентрация в сточных водах одного источника или к ак средняя взвеш енная (по расходам сточных вод ) концентрациии во всех учитываемых источниках загрязнения. Если рас­ сматривается суммарная концентрация в сточных водах веществ одного ЛПВ, т. е. величина sCT, то в зависимости от начальных условий ей может быть приписан смысл средней концентрации в одном источнике или же средней взвеш енной концентрации в несольких источниках.

Вопрос о нормировании сброса сточных вод в водоем по нескольким неконсервативным вещ ествам представляется весьма сложным, его ре­ шение не осущ ествимо на тех основах, которые использованы в настоя­ щей книге, поэтому этот вопрос здесь не рассматривается.

Задачу о нормировании сброса сточных вод в водоем по одному кон ­ сервативному вещ еству можно приближенно решить, воспользовав­ шись упомянутыми выше разработками /34/. Принимая, что начальная концентрация лимитирующего консервативного вещ ества в водах в о ­ доема равнялась нулю (sb • = 0 ), и учитывая, что начало сброса сточных в о д в водоем совпадает с началом отсчета времени t, записываем сле­ дующее уравнение изменения во времени средней концентрации лими­ тирующего вещ ества s • в водоеме:

si= sycTi[1 - eXP(~QBt /W) l -	(10'89)
Здесь 0 в — расход воды , вытекающей из водоем а (м^/с );	t — время,

отсчитываемое от моменте начала сброса в водоем сточных вод (секун­ ды) ; W — объем водоема ( м 3) , средний за расчетный интервал времени t. Установившееся значение концентрации лимитирующего вещ ества в водоеме sycT ^вычисляется по формуле

V T i = QCTSC T i '4 ’

( 10-9°)

218

где QCT и scx i — соответственно расход (м3 /с) и концентрация лимити­

рующего вещ ества в сточных водах	(м г/л или r / м 3) .	Значение sycTi
выражает концентрацию вещ ества,	установивш уюся в	водоем е в ре­

зультате длительного периода сброса в него сточных вод с неизменны­ ми расходом и составом. Время стабилизации определяется при исполь­ зовании ф орм улы (10.89) (об этом сказано ниж е).

Конечное значение средней концентрации консервативного лимити­ рующего вещ ества находится по формуле (10 .90). При этом могут иметь место следующие два случая:

V t < В Д К1>

8уСт 1 > П Д К 1 ' <1 ( Ш >

В первом случае концентрация загрязняю щ его вещества никогда не будет превышать ПДК, т. е. воды водоема останутся чистыми. Предель­ но допустимый сброс сточных во д в водоем по рассматриваемому ли­ митирующ ему вещ еству в первом случае определяется условием

		<10'92)
Отсюда находим
М1 п д = П Д К 10 в .		(10.93)
Второй случай, отвечающий неравенству sv __ j		> ПДК-, будет иметь
„	уст J	i
место, если проектируемы й	сброс не удается	ограничить условием

(1 0 .9 2 ). Задача при этом сводится к определению М; п д , обеспечиваю­ щ ему минимально необходимую продолжительность сущ ествова­ ния чистой воды в водоеме или, иными словами, сущ ествования водое­ м а к а к источника водоснабжения данного хозяйственно-бытового объекта. Рассмотрим эту задачу.

Продолжительность времени t возрастания концентрации лимити­

рующ его вещества s- в водоеме	до какого-либо заданного значения,
например, до s i = ПДК, может	быть найдена из уравнения (30.89).
Если задана продолжительность времени		то это же уравнение поз­
воляет оты скать параметры источника		загрязнения, т. е. QCT и scT|
(по лимитирующему вещ еству),	ijpH которы х в рассматриваемом во ­

доеме обеспечивается 1;Пд . П одставляя в уравнение (10.89) значение

®it ПД по (Ю .90) и учитывая требование

0°-94>

находим предельно допустимый сброс массы вещ ества в единицу вре мени

219

м ш д = п Щ % 1 U - ехР (~ З в*п д/Ш) J •

(10.95)

Последняя зависимость может применяться для практических расче­ тов допустимого сброса лимитирующего вещ ества в водоем , обеспечи­ вающего в течение заданного времени удовлетворительное состояние качества вод в водоеме.

В ряде случаев мож ет представлять интерес выяснение вопроса о времени стабилизации концентрации растворенного консервативного вещ ества в водоеме, в водах которого до начала сброса сточных во д это вещ ество отсутствовало. Используя уравнение (1 0 .8 9 ), записываем его в виде

t	= _ [ W l n ( l		-	Si/SyCTi) ] /Q^.						(Ю .96)
Такая		стабилизация имеет место,					когда концентрация			достигает
s ст j* Уравнение			(10.96)		показы вает, что это происходит при t -
Стабилизацией можно считать						значительное		приближение	Sj	к s
в частности, такое,				при котором различие между ними практически (на­
пример, по данным гидрохимического анализа) не улавливается.
Условно будем считать стабилизацией концентрации достижение
последней уровня
Si = psycTi,										(10.97)
где	в	зависимости		от необходимой точности реш аемой задачи прини­
мается р = 0 £ 9 ; 0,95 или 0,90 и т. д.
П одставляя (10,97) в					(1 0 .9 6 ), получаем			с определенной		степенью
приближения искомое врем я стабилизации Хуст
Л у с т ^ - ^ Ь О				- Р ) ] ^ -						<10*98>
Эта формула может использоваться для определения t										к а к при
sycx i < ПД1С| , так и при sycT i >						П ДК ^
д л я реш ения задачи о нормировании сброса в водоем по нескольким
консервативны м			вещ ествам			используется		обобщенный	показатель
вредности сточных вод R CT, формула которого записана выш е. В осно­
в у	вы вода этого			показателя,		к а к	указы валось, положено			условие

(10 .11), ш ироко применяемое в ’’Правилах охраны во д от загрязнения сточными водам и ”, а такж е положение о независимости от степени разбавления соотношений между концентрациями отдельных консерва­ тивных вещ еств.

В результате длительного ( t = «») сброса сточных лод в водоем (при приняты х в данной работе ограничивающих условиях) в нем устанавли­ вается следующее значение суммарной (по всем гп вещ ествам) концен­ трации :

220