К расчету доли внутриводоемных процессов в трансформации загрязняющих веществ в водотоке

УДК 543.3

Шарапов Николай Михайлович

Nikolay Sharapov

К РАСЧЕТУ ДОЛИ ВНУТРИВОДОЕМНЫХ ПРОЦЕССОВ В ТРАНСФОРМАЦИИ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ В ВОДОТОКЕ

ON COMPUTATION OF INTRABASIN PROCESSESES' CONTRIBUTION TO WATER-FLOW CONTAMINANTS TRANSFORMATION

На основании сравнительного анализа частного случая (процесс «чистого разбавления») из -менения массового расхода рассматриваемого загрязняющего вещества и трансформации гид -рохимического режима в реальном водном объекте, выполненном с использованием среднемного -летних данных наблюдений, предложена зависи-мость, позволяющая рассчитывать внутриводо-емные процессы, происходящие непосредственно в водном объекте, в пределах выделенного участка

The author introduces a relationship which helps to expect intrabasin processes within a certain location. This relation is based on comparative analysis ('pure dilution” process) of a observed contaminant mass flow transformation and transformation of hydra- chemical regime in real basin, done with reference to long-term average annual observations data

Ключевые слова: загрязняющее вещество, водный Key words: contaminant, water body, intrabasin process объект, внутриводоемный процесс

Вопрос о формировании качества вод природных водных объектов является в последнее десятилетие предметом многосторонних дискуссий, выступлений, общественных слушаний, статей. Многочисленные авторы работают над этой сложной проблемой потому, что при формировании бюджетов различных уровней, расходных статей экологических фондов, территориальных и муниципальных программ восстановления и охраны водных объектов, решении вопросов о расширении производств и создании новых она выливается в альтернативу вложения средств в те или иные организационно -технические мероприятия. Средств этих всегда не хватает и при отсутствии надежного критерия эффективно -

сти того или иного мероприятия в дело, как обычно, вступают субъективные факторы, базирующиеся на действующих, утвержденных нормативах, не учитывающих региональные особенности формирования качественного состава воды, в том числе его природной составляющей. В конечном итоге принятая программа, план мероприятий и т.д. не приносят ожидаемого эффекта, а порой даже и усугубляют обстановку.

Характерным примером применения таких нормативов являются уже многократно критиковавшиеся в научных кругах показатели предельно-допустимых концентраций (ПДК) загрязняющих веществ и основанные на них предельно-допустимые сбросы (ПДС) в вод-

ные объекты и индекс загрязненности вод (ИЗВ), которые обладают рядом существенных недостатков.

Используя нормативный показатель ПДК, можно знать только качественный состав воды в данном створе водного объекта, который применим для нормирования использования воды в питьевых, хозяйственно-бытовых или рекреационных целях (например, для забора в системы водоснабжения, купания) или рыборазведения (в данном створе), но ничего нельзя сказать о причинах, благодаря которым он здесь сформировался. Следовательно, опираться на данный показатель при оценке экологического состояния водного объекта и его водосборной площади и планировании мероприятий по улучшению этого состояния, не зная природной составляющей привноса загрязнений, достаточно проблематично. Кроме того, данный показатель не позволяет проследить трансформацию того или иного загрязняющего вещества или соединения по длине водотока.

Как известно, трансформация любого загрязняющего вещества или соединения зависит от многих факторов: химических (распад, соединение с другими веществами, выпадение в осадок); физических (переход в другое агрегатное состояние, адсорбция, коагуляция); гидродинамических (перенос течениями и рассеяние в процессе турбулентной диффузии); биологических (аккумуляция и перенос организмами), т.е. происходит за счет «чистого разбавления» и внутриводоемных процессов.

Рассмотрим случай «чистого разбавления». Приращение массового расхода любого загрязняющего вещества или соединения в пределах выделенного участка для рассматриваемого случая можно рассчитать следующим образом:

Л<ц = шг+- т/ = С+ -0+ - С,- О .

Если в уравнении (1) массовый расход 3 -го загрязняющего вещества в нижнем (г +1 )-м створе (тЗ+1):

С1 -О1

г+1

:Л<г + С/

О/,

то концентрация загрязняющего вещества или соединения в этом створе будет

1 0з

С,+1= — • Лт' + С/- -^г-.

г+1 оз г+1>г О3

^г+1 хСг+1

Приращение же концентрации любого загрязняющего вещества или соединения в пределах выделенного участка для случая «чисто -го разбавления» можно рассчитать так:

ЛС,= С+- С .

С учетом уравнения (3) уравнение (4) можно переписать как

1

ЛС1

i+1 ,i

или

О,

-Л<и + С/'

i+1

Ом

ЛС1 =

i+1 ,i

1

-С

Oi+1

Введем обозначения:

1

- С

о,+

а

1

b1 = С1

ui+1,i ^ i

1

О+1

Тогда уравнение (5) бу-

дет иметь линейный вид, если а/+1г. = const и Ь/+1г. = const, что близко к истине для средне -многолетних значений расходов (Оi) и концентраций (С) существующих стационарных по -стов:

ЛС+и. = а+1УЛт>+и -Ь,+1л.

Таким образом, уравнение (1) для расчета приращения массового расхода любого загрязняющего вещества или соединения в пределах выделенного участка для случая «чисто -го разбавления» можно записать:

= CJ

ч+1

Q/+1 - Cj-Q/ =

ЛС/+и + Ь/+1,/

В реальном же водном объекте, в пределах выделенного участка реки изменение содержания з -го инградиента (химического вещест-

a

ва или соединения) в воде происходит за счет следующих процессов.

Во-первых — за счет привноса дополнительного его количества с сосредоточенным и диффузионным стоком с водосбора, так и за счет его разбавления из-за увеличения расхода ввиду того же сосредоточенного и диффузионного стоков.

Во-вторых, в природных водных объектах процессы изменения содержания химических веществ и соединений не исчерпываются «механическим» привносом и разбавлением

V г+1,//внутрив'

Математическая обработка данных гидрохимических и гидрологических наблюдений по различным рекам, находящимся в зоне действия ЗабУГМС по Амурскому (рек Ингода и Онон) и Байкальскому (рек Хилок, Селенга) бассейнам показала, что в реальных условиях зависимость приращения концентраций 1 -го загрязняющего вещества

(Ь0+и(ав) = 0+1(ав) - 1) от приращения

масс этого же вещества

<1, і и

(Ада/м = ш1

ч+щдв)~"‘мм -1)) в пределах участков водотока, ограниченных существующими стационарными створами, описывается линейным уравнением:

+

+ (Ь<1,,) внутрив ) - Ц.

АС1ц

ш

у

Л+1,/'

С

и С

соот-

где тг+1г

ветственно действительные массы и концентрации рассматриваемого загрязняющего вещества в верхнем и нижнем створах водотока;

соответственно, эмпирические значения углового коэффициента и свободного члена для этого же вещества в пределах выделенного участка.

Следовательно, уравнение (7) для реально -го водного объекта запишется в следующем виде:

(Ат/+1,/ ) разбае + (Ат/+1,/) внутрив =

= С/+1-ОІ1 - 01-0/ =

АСи, + ь/+и

/+1 ,/1

На основании изложенного можно констатировать, что в реальном водном объекте в зависимости от водности года могут наблюдаться следующие характерные случаи:

1) с увеличением притекающего расхода изменение содержания того или иного 1 -го ингредиента происходит только за счет преобладания процесса его привноса с сосредото-ченным и диффузионным стоком с водосбора и его разбавления из-за увеличения расхода ввиду того же сосредоточенного и диффузионного стоков;

2) с уменьшением притекающего расхода процесс «механического» привноса и разбавления снижается, и начинают преобладать внутриводоемные процессы химической, био-логической, физико-химической и др. природы.

Это, в свою очередь, позволяет предположить, что функциональные зависимости

АС/+1 г = /(Ат1+1г), одна из которых описывает процесс «чистого» «механического» разбавления (А0+1, = а+1,г • (^1,) разбав - 1 ^

а другая — процессы, происходящие в реальном водном объекте

(АС\+1, = а,.+1, •(Ат1+1,) разбт +

+ (Ат;+и ) внутрив Ь1+1,1),

будут взаимно пересекающимися линиями.

Если найти разность между уравнением (9) и уравнением (7), то можно найти изменение массового расхода 1 -го ингредиента (химического вещества или соединения), происходящего в русле реки в пределах выделенного

участка за счет внутриводоемных процессов, те.: объекте в этих же координатах при постоянных

енутрие

=С

/+1

0,+1 - С -а, =

АС/+и + ь/+и

4 / +1,/

или с учетом уравнения

( Ат/ +1,/) енутрие

АС/+1,, + Ь/+1,/ аі

АС+1,/ + Ь+1,, а!

/ +1 , / / +1 , /

Окончательно уравнение (10) можно переписать как

/+1,/ енутрие Ґ

= АС/+1,-

1

а/

+

+

Ь/+1,,

Ь1+1,,

значениях АС/+1 г.

Рассмотрим частный случай, при котором изменение массового расхода 1 -го ингредиента (химического вещества или соединения) для случая чистого «механического» разбавления и для реального водного объекта будут совпадать, т.е. будут выполняться условия:

АС= АС::чист:: раз6ае

Аш„,

'чист" разбав

реал.реки г+1 ,г)внутрив

Если для данного частного случая приравнять уравнения (6) и (8):

а, __________

реал .реки

а/+1,/ ' (Ат/+1,/)“чист"разбав Ь/+1,/

+1,/ +1,/

Необходимо отметить, что значения угловых коэффициентов и свободных членов для всех рассматриваемых 1 -х ингредиентов (химических веществ или соединений) рассчиты-вались на основании среднегодовых значений расходов водотока, а также их концентраций,

т.е. С г и Qг, где г — номер поста.

Анализ уравнения (11) позволяет сделать следующий вывод. Изменение массового расхода 1 -го ингредиента (химического вещества или соединения), происходящего в русле реки в пределах выделенного участка за счет внут-риводоемных процессов, может быть как по -ложительной, так и отрицательной величиной. Положительное значение указывает на преобладание внутриводоемных процессов, в то время как отрицательное — на преобладание процесса «механического» привноса и разбавления.

Фактически (Ат]г+1 г)внутрив— есть отклоне-ния по оси приращений массовых расходов точек, координаты которых рассчитаны по уравнениям (1) и (4), от линии, отображающей процессы, происходящие в реальном водном

и учесть условие (12), т.е.

Ат = Ат, , б , то окончательно

реал реки чист разбав

уравнение (13) можно записать так:

(Ат 1+1,1 )реал.реки (Ат 1+1,1 ) "чист"разбав

ь , - ы\.

_ /+1,/ /+1,/ ' '

а\+1,/ — а+ и

В уравнении (14) все величины известны. Эмпирические значения углового коэффициента (а/+1г) и свободного члена (Ь/+1г) для

рассматриваемого загрязняющего вещества получены на основании математической обработки данных гидрохимических и гидрологических наблюдений. Численное значение свободного члена для случая «чистого» «механического » разбавления рассчитывается по

формуле Ь/+1,. = С

1

О

0!+

а значение

углового коэффициента рассчитывается по формуле а/" 1

]

+1

0

+1

В таблице в качестве примера приводятся данные результатов расчета по приведенной методике для некоторых загрязняющих веществ для участка р. Ингода.

1

а

+1 ,/

Рассчитанные величины приращений массовых расходов и концентраций

Загрязняющее вещество Значения, при которых внутриводоемные процессы в пределах выделенного участка близки к нулю

Приращения массовых расходов вещества (Лда/+1>г), г/с Прuрaщeнuя кон^нтра^й (AQ+1, г), мг/л

Азот нитратный - 3,037 - 0,03В

Марганец - 628,15 - У,В11

Таким образом, зависимость (14) позволяет рассчитать значение приращения массового расхода рассматриваемого загрязняющего вещества при незначительной величине внутриводоемных процессов, т.е. случая, когда

1. Лепихин, А.П. К проблеме оценки «фонового» содержания химических инградиентов в водотоках [Текст] / А.П. Лепихин, С.А. Мирошниченко //Водное хозяйство России. - 2000. - Т. 2. - № 3. - С. 228-248.

Коротко об авторе____________________________________

Шарапов Н.М., канд. техн. наук, доцент, Читинский государственный университет(ЧитГУ) vostDkniivh@mail.ru

Научные интересы: формирование гидрохимического режима водных объектов

ими можно пренебречь ^Ат^г)внутрив) = 0 и

считать, что изменение массового расхода происходит только за счет «чистого» «механического » разбавления ( (тг ) разбав).

________________________________Литература

2. Родзиллер, ИД. Прогноз качества воды водоемов-приемников сточных вод [Текст] / ИД.. Родзиллер. - М.: Стройиздат, 1984. - 263 с.

___________________________________Briefly about author

N. Sharapov, candidate of science (engineering), assistant professor, Chita State University

Research interests:: formation of hydro-chemical condition of water bodies