Турбулентная диффузия веществ загрязнения, сбрасываемых сточными водами в море

Abstract

При сбросе сточных вод в море следует допустить образование ограниченной, заранее расчетами определенной и в эксплуатации инженерными способами управляемой загрязненной области, качество воды в пределах которой не соответствует нормативным требованиям. Качественный состав морской воды можно представить в виде n-размерной вектор-функции, составляющими которой являются качественные показатели химического, биологического, бактериологического и др. составов воды. Составляющие вектор-функции качества морской воды, а также сама функция являются случайными функциями. Общая задача расчета распространения веществ загрязнения, сбрасываемых сточными водами в море, сводится к определению трансформации вероятностных мер вектор-функции качества воды в море. В первом приближении можно принимать составляющие вектор-функции качества воды статистически независимыми и ограничиться определением трансформации вероятностных характеристик отдельных ее составляющих. Следует отказаться от детермированной структуры норм качества воды у водопотребителей в ввести вероятностную структуру норм в виде нормирования распределения показателей качества воды. Составляющие вектор-функции качества морской воды представляют собой эргодические случайные функции с периодическим математическим ожиданием. Периодическое математическое ожидание можно выделить из единичной реализации эргодической случайной функции при помощи спектральных плотностей, вычисленных при разных длинах реализации функции. Составляющие вектор-функции качества воды характеризуются в зафиксированных точках моря двухразмерным распределением значений и их периодов продолжительностей. Для характеристики периодов продолжительностей значений составляющих вектор-функции качества воды целесообразно рассматривать их условно в виде марковских процессов. Для описания трансформации веществ и следующих из него полуэмпирическим уравнением турбулентной диффузии. Нагрузки загрязнения коллекторов городов и промышленных предприятий являются случайными функциями с периодическим математическим ожиданием. Расходы сточных вод коллекторов и осредненные по сечению концентрации примеси являются практически ортогональными случайными функциями. Влияние очистных сооружений на случайную функцию концентрации примеси в сточных водах может быть выражено в первом приближении в виде весовой функции, которая по предварительным результатам анализа работы очистных сооружений является постоянной величиной. Диффузию в зоне примарных скоростей сточной жидкости следует учитывать при незначительных скоростях течения в море, в противном случае этим влиянием можно пренебречь и провести расчет распространения загрязнения как из непрерывных точечных источников. Диффузии веществ загрязнения в зоне примарных скоростей при наличии сложной стратификации следует определить численным решением уравнений течения и полуэмпирической диффузии, для чего применен в работе явный метод квадратичных сеток. Поле осредненных скоростей исследуемого прибрежного участка моря может быть с достаточной для практики точностью определено либо на гидравлических моделях, либо численным решением уравнений гидродинамики. Выработана методика численного решения уравнений гидродинамики для определения осредненных ветровых течений. Двухразмерные распределения скоростей течения в общем случае не могут быть аппроксимированы простыми функциональными зависимостями. Для исследования распределения вероятностей переноса веществ загрязнения к месту водопотребления следует определить двухразмерные плотности распределения вероятностей скоростей течения для наиболее характерных метеорологических условий. Скорость диссипации кинетической энергии, определяющую коэффициенты турбулентной диффузии, следует определить по спектральной плотности скорости течений для наиболее характерных метеорологических условий. Коэффициенты горизонтальной турбулентной диффузии следует определить по зависимости Ричардсона-Обухова, учитывая при этом предложенную Озмидовым трехзональную схему энергоснабжения морских течений. Коэффициенты вертикальной турбулентной диффузии следует охарактеризовать их распределением. Определены основные зависимости для расчета осредненного поля концентрации примеси в море. Рассмотрены методы численного решения уравнения полуэмпирической диффузии при сложных граничных условиях и стратификации. Гидравлические модели применены для определения качественных схем распространения примеси в море (выбор места выпуска), а не для определения количественных данных. Приведен качественный способ гидравлического моделирования поля вероятностей распределения примеси как марковской цепи. Разработана методика определения вероятностей распределения осредненных концентраций примеси и ее периодов продолжительности у водопользователей и водопотребителей. Разработана методика учета влияния пульсации концентрации в стационарной струе на распределение вероятностей концентрации примеси у водопотребителей. Разработана методика расчета трансформации дисперсии и спектральных плотностей концентрации в облаке загрязнения. Экспериментально исследована общая характеристика трансформации вероятностных характеристик концентрации примеси в стационарной струе примеси. Установлено, что временная спектральная плотность концентрации в зафиксированных точках струи примеси следует в широком диапазоне частот закону - 5/3. Разработана упрощенная методика расчета осредненной концентрации в стационарной струе примеси, пригодная при создании схем комплексного использования водных ресурсов.