МОДЕЛЬ УЧАСТКА РУСЛА РЕКИ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ДИНАМИКИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ПОЛЛЮТАНТОВ В ВОДНОЙ СРЕДЕ

Полезная модель относится к гидродинамическим сооружениям, позволяющим в лабораторных условиях моделировать процесс распространения поллютантов различной природы в руслах исследуемых рек.
Известно использование таких гидродинамических конструкций, как бассейны, гидролотки. Аналоги изобретения: опытовый бассейн (Патент РФ №2058542 G01М010/00), стендовая установка для моделирования обтекания водой буксируемого тела (Патент РФ №2013285 В63В009/02). Все они представляют собой капитальные громоздкие сооружения, создание которых возможно только в условиях специализированных помещений. Кроме того, они не учитывают морфологию русла исследуемого участка проточного водоема.
Таким образом, известными гидродинамическими сооружениями невозможно:
- проведение испытаний в условиях стандартной лаборатории без привлечения капитального оборудования;
- проведение экспериментов с учетом морфологии русла конкретного водотока;
- параллельно моделировать поступление поллютанта в различном агрегатном состоянии и от различных типов источников загрязнения.
Задачами полезной модели являются:
- моделирование распространения поллютанта на заданном участке русла с учетом его конкретных морфологических особенностей;
- моделирование процесса распространения токсичных поллютантов различной природы, использование которых в натурных условиях невозможно;
- моделирование процесса поступления поллютанта в аэрозольном
или жидком состоянии от точечного или площадного источника заражения;
- определение временной динамики распространения области загрязнения;
- определение степени разбавления области загрязнения относительно начальной концентрации на заданном удалении от источника.
Технический результат, который может быть получен при использовании полезной модели, заключается в возможности проведения испытаний без привлечения капитального лабораторного оборудования (гидролотки, опытовые бассейны и т.п.). Модель упрощает методику проведения испытаний, а принцип ее строительства обеспечивает легкость и мобильность конструкции.
Поставленная задача достигается тем, что каркас базируется на лабораторных столах, а настил из деревоволокнистой плиты выравнивается по уровню. Поверх настила укладываются пенопластовые модульные блоки со сформированным рельефом русла в заданном порядке. Рельеф русла формируется выжиганием в пенопласте по горизонталям нихромовой проволокой. Герметичность стыковки блоков обеспечивает силиконовый герметик.
Масштаб модели ограничивается свободным пространством лаборатории. Существенным преимуществом модели является равенство ее вертикального и горизонтального масштабов. Это обеспечивает геометрическое подобие модели и натуры, что при правильном воспроизведении скоростей течения и глубин потока приводит к трехмерному подобию гидравлической структуры потока на модели и в натуре. В этом случае адекватно воспроизводятся области локализации загрязнения.
l
h
t
l
ν
Масштабный коэффициент длины М на модели равен масштабному коэффициенту глубины М. Соответственно масштабный коэффициент уклона равен 1. Из равенства чисел Фруда натуры и модели получаем масштабный коэффициент скорости воды. Отсюда масштабный коэффициент времени равен М=M/M.
Он используется при определении времени распространения загрязнения
s
l
h
v
l
l
h
Q
v
t
по участку реки. Масштабный коэффициент площади определен M=M·M. Масштабный коэффициент объема равен М=М·М·М. Масштабный коэффициент расхода равен M=M/M.
Основой для строительства модели служит русловая съемка участка реки и аэрофотоснимок. Русловая съемка исследуемого участка проводится посредством портативного эхолота - глубиномера JJ - Connekt Fisherman 120.
Рельеф модели формируется в пенопласте выжиганием по горизонталям нихромовой проволокой (d=0,5 мм). Верхний поверхностный слой обработан составом, включающим цемент, клей ПВА, мелкий просеянный речной песок в объемном соотношении (30:1:25).
Оставшаяся часть поверхности, полностью воспроизводящая рельеф надводного участка местности, формируется шпатлевкой, обрабатывается фактурной штукатуркой и покрывается масляной краской (в случае моделирования ситуации половодья).
Регулируемые водосливы и водосбросная емкость располагаются по периметру конструкции в зависимости от морфологических особенностей русла реки.
Поступление поллютанта в русло реки обеспечивают устройства для моделирования поступления поллютанта в виде аэрозоля (площадного) и точечного источника загрязнений.
Сущность полезной модели поясняется фотографиями, где на фото 1 изображена лабораторная гидрологическая модель русла реки. На фото 2 - устройство для моделирования поступления поллютанта в русло реки в виде аэрозоля. На фото 3 - устройство для моделирования точечного источника поступления поллютанта в русло реки.
Предложенная гидрологическая модель состоит из:
- каркаса из деревянных брусков;
- настила - основания, выполненного из деревоволокнистой плиты;
- пенопластовых модульных блоков;
- регулируемого водослива;
- водосбросных емкостей;
- устройств для имитации поступления поллютанта в русло реки. Процесс работы на модели включает следующие этапы:
Установка гидрологического режима. Регулируемые водосливы и водосбросная емкость обеспечивают заданный расход воды. Проверка правильности установки скоростного режима водотока обеспечивается замером скорости перемещения поплавка на заданных участках русла модели.
Имитация поступления поллютанта в русло реки. Поступление поллютанта обеспечивают устройства для имитации поступления поллютанта в русло. На фото 2 представлено устройство для имитации поступления поллютанта в русло реки в виде аэрозоля. Устройство представляет собой закрепленный на штативе аэрозольный генератор, позволяющий моделировать площадной источник аэрозольного загрязнения. На фото 3 представлено устройство для имитации точечного поступления жидкого поллютанта в русло реки. Устройство представляет собой закрепленную бюретку с краном, которая переходит в пластиковую трубку с зажимом. Кран бюретки регулирует подачу раствора поллютанта, а зажим трубки - интенсивность поступления раствора.
Определение динамики распространения поллютанта в русле. По ходу течения ниже уровня сброса поллютанта определяются рубежи отбора проб. При прохождении области загрязнения указанных рубежей через равные промежутки времени пипеткой проводится отбор проб воды. На основе данных анализа водных проб определяется количественное содержание поллютанта на заданном рубеже в определенный период времени.
Преимуществом предложенной модели является возможность исследования динамики распространения поллютанта в водотоке с учетом конкретных морфологических особенностей русла реки в условиях стандартной лаборатории без привлечения капитального оборудования. Указанное преимущество позволяет упростить методику испытаний, уменьшает трудоемкость, стоимость изготовления и проведения испытаний.