Моделирование переноса азотных соединений в водотоках

Гусев, Алексей Евгеньевич

Автореферат диссертации по теме "Моделирование переноса азотных соединений в водотоках"

4859402

На правах рукописи

ГУСЕВ АЛЕКСЕЙ ЕВГЕНЬЕВИЧ

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПЕРЕНОСА АЗОТНЫХ СОЕДИНЕНИЙ В ВОДОТОКАХ

Специальность-06.01.02-«Мелиорация, рекультивация и охрана земель»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 О НОЯ 2011

Москва-2011

4859402

Работа выполнена в Государственном научном учреждении Всероссийский научно-исследовательский институт гидротехники и мелиорации им. А.Н.Костякова (ГНУ ВНИИГиМ) Россельхозакадемии.

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент Волынов Михаил Анатольевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук Хранович Иосиф Лазаревич

кандидат геолого-минералогических наук Коломийцев Николай Владимирович

Ведущая организация:

ГОУ ВПО Московский государственный университет природообустройства

Защита состоится «24» ноября 2011 года в 11:00 часов на заседании диссертационного совета Д 006.038.01 в Государственном Научном Учреждении ¿Всероссийский научно-исследовательский институт гидротехники и мелиорации им. А.Н. Костякова по адресу: 127550, Москва, ул. Большая Академическая, 44, к.504

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНУ ВНИИГиМ.

Автореферат разослан «21» октября 2011 года

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук

Исаева С.Д.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Проблема сохранения природных вод, их качества и ресурсного потенциала водосборов особенно атегуальна для про-мышленно развитых стран мира и, в том числе, для Российской Федерации. Обострение экологических проблем, связанных с ухудшением состояния водных объектов под влиянием антропогенной нагрузки, определяет необходимость получения максимально точной и достоверной информации об источниках загрязнения, объемах поступления и распространении загрязняющих веществ.

Одним из требований методических указаний по разработке нормативов допустимого воздействия на водные объекты, разработанных в соответствии с Постановлением Правительства Российской Федерации от 30 декабря 2006 № 881 «О порядке утверждения нормативов допустимого воздействия на водные объекты» и утвержденных приказом МПР от 12.12.2007 № 328, является определение общей массы привноса в водный объект или его часть загрязняющих химических и иных веществ с учетом всех источников воздействия, особенностей миграции и трансформации веществ, а также транзитного поступления загрязняющих веществ. При планировании ряда водохозяйственных мероприятий важное практическое значение имеет объективная оценка и прогноз пространственно-временной изменчивости качества вод. Создание математической модели, адекватно отображающей процессы распространения загрязняющих веществ (ЗВ) в водотоке, определяет актуальность исследований данного направления.

Цели п задачи исследований. Целью исследований является разработка расчетных методов, математических моделей и программных средств для прогнозирования распространения загрязняющих веществ (азотных соединений) в руслах рек и каналов.

Для достижения поставленной цели были решены следующие основные задачи:

1) изучить основные процессы, связанные с распространением загрязняющих веществ в водотоке при точечном и диффузном стоке загрязняющих веществ;

2) выполнить анализ современных методов прогнозирования распространения загрязнителей в водной среде;

3) провести натурные экспериментальные исследования динамики распространения примесей, а именно, азотных соединений в магистральном канале;

4) разработать модель переноса и трансформации загрязняющих веществ в водотоке;

5) разработать алгоритм расчета диффузного стока на основе данных натурных наблюдений;

6) выполнить сравнительный анализ результатов прогнозирования распространения загрязняющих веществ, полученных с помощью разработанной методики и других моделей (программного комплекса MIKE 11), используя для сравнения результаты прямых измерений;

7) рассчитать контрольный пример распространения азотных соединений на основе натурных данных р. Оки.

Методология и методика исследований. Методологической основой исследований являются совокупность принципов и научных положений, применяемых в мелиорации и водном хозяйстве, а также методы математического моделирования, уравнения математической физики, гидродинамики и гидравлики, численный эксперимент и теоретическое обобщение. Натурные исследования проводились на экополигоне «Мещера» ОПХ «Полково» и включали измерения распространения загрязнителей в водотоке путем отбора проб и их химического анализа, а также прямые измерения характеристик потока воды с помощью специальной аппаратуры.

Научная новизна исследований состоит в предложенном теоретическом обосновании и практической реализации метода прогнозирования распространения загрязнителей в водной среде, основанного на аналитическом и численном решении одномерного нестационарного уравнения конвективно-диффузионного переноса растворенных веществ для случаев точечного и диффузного попадания вещества в водоток.

В результате исследований определены гидрологические и гидравлические характеристики водотока и условия распространения загрязняющих веществ, при которых обеспечивается необходимая точность и достоверность расчетов для решения мелиоративных и природоохранных задач. Разработан набор программных средств для решения наиболее востребованных эколого-мелиоративных вариантов прогноза динамики процессов переноса растворенных в воде веществ. В натурных экспериментах и с помощью математических моделей изучено распространение азотных соединений в магистральном канале при сосредоточенном (из дрен) и диффузном (грунтовое питание и поверхностный смыв) попадании в водоток.

На защиту выносятся следующие основные положения:

- закономерности влияния гидравлического режима, факторов самоочищения и поступления соединений азота на динамику их движения в открытом русле;

- аналитическое решение одномерного нестационарного уравнения конвективно-диффузионного переноса неконсервативных примесей;

- алгоритм расчета диффузного стока и коэффициента скорости распада загрязняющих веществ в водотоке;

- методшса прогнозирования распространения неконсервативных примесей в водотоке при точечном и диффузном сбросе, а также в местах

отбора водных ресурсов из малых рек, используемых для орошения земель сельскохозяйственного назначения.

Практическая значимость. Разработанный метод оценки распространения растворенных загрязнителей в водной среде, вкшочатощий модели, численные схемы расчета и программы для персонального компьютера, может быть использован для повышения обоснованности принятия решений при комплексном управлении водохозяйственными системами, в том числе для обоснования мест размещения водозаборов питьевого и сельскохозяйственного водоснабжения и сброса дренажных вод с учетом колебаний его объемов, химического состава, концентраций, а также изменений характеристик гидрологического режима водного объекта.

Разработанные модели могут быть применены для анализа данных мониторинга качества воды и гидрологического режима малых рек с целью определения экологической устойчивости водного объекта и предотвращения его деградации на основе количественных оценок самоочистки вод при различных антропогенных нагрузках и в зависимости от сезона года. Кроме того, этот подход может быть использован при проектировании систем биологической очистки дренажных и других сбросных вод, а также для определения экологически безопасных мест размещения водозаборов и водоотведения для водоснабжения гидромелиоративных систем.

Личный вклад автора. В диссертации представлены результаты собственных исследований в области распространения загрязнителей в водотоке: анализ и обобщение литературных источников по данной проблеме; изучение и освоение экспериментальных полевых и лабораторных методов определения качества воды и гидравлического режима потока; освоение программного комплекса (МЖЕ11); формализация модели и аналитического решения одномерного уравнения конвективно-диффузионного переноса; вывод алгоритма расчета диффузного стока, проведете численных экспериментов с моделями, анализ и обобщение полученных численных материалов.

Апробация работы. Материалы исследований докладывались и обсуждались на секции Ученого Совету ГНУ ВНИИГиМ «Водное хозяйство» (2005-2011 гг.). Основные результаты докладывались: в 2009г. на 58 научно-технической конференции МИРЭА, подсекции «Комплексы моделирования природоохранной деятельности»; в 2011г. на 9-ой международной конференции МГУ «Государственное управление в XXI веке: традиции и инновации», в рабочей группе «Управление природными ресурсами в условиях перехода к устойчивому развитию».

Публикации. Основные результаты работы опубликованы в 7 научных работах, в том числе 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК по данной специальности.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав и выводов, изложена на 115 стр. машинописного текста, иллюстрирована

27 рисунками, содержит 19 таблиц. Список литературы шсшочает 114 наименований литературных источников на русском языке и 43 на иностранных языках.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, определены цели и задачи исследований, отмечены научная новизна и практическая значимость диссертационной работы.

В первой главе на основе обзора и анализа отечественной и зарубежной литературы рассматриваются основные факторы загрязнения водных объектов, которые в большинстве случаев обуславливаются суммарным воздействием семи основных источников: естественного стока, поверхностного смыва с сельскохозяйственных угодий, сбросом дренажных вод, сбросом сточных вод объектов животноводства, поверхностным смывом с застроенных территорий, сбросом промышленных и коммунально-бытовых сточных вод, а также вторичным загрязнением. Самыми распространенными элементами загрязнения вод на территории Центрального Федерального Округа являются азотсодержащие компоненты, доля загрязнения которых составляет 28%, а главным источником поступления в речную сеть таких биогенных элементов как азот, является поверхностный сток с сельскохозяйственных угодий.

Отдельно рассматривается роль диффузных источников в загрязнении водных объектов. Исследования в США показали, что в 76% случаев определяющим фактором загрязнения воды были неточечные источники [БЬогЙе, 1.8. 1984.], а по данным Агентства по охране окружающей среды США (и.8.ЕРА), сельское хозяйство в этой стране к концу 70-х годов стало основным источником диффузного загрязнения рек.

В государственном докладе «О состоянии и использовании водных ресурсов Российской Федерации в 2009 году» [Государственный доклад, 2010] отмечается, что одним из инструментов реализации задач в рамках охраны и восстановления водных объектов является разработка научных методов оценки объемов и степени негативного влияния рассредоточенного (диффузного) стока с хозяйственно освоенных территорий и технологических решений по его сокращению.

Процессы формирования диффузного стока характеризуются рядом особенностей, осложняющих контроль над источниками загрязнения и обуславливающих проблемы, которые необходимо решать при разработке и реализации водоохранных мероприятий:

- трудности определения реальной массы выноса загрязняющих веществ с диффузным стоком и оценки его воздействия на качество поверхностных вод;

- неправомерность использования традиционных технологий для очистки загрязненного диффузного стока [Михайлов, 2000].

На механизмы переноса и превращения загрязняющих веществ, независимо от источника, оказывают влияние биологические, биохимические и другие факторы, относящиеся к аспектам процессов самоочищения.

Самоочищение осуществляется путем биохимического окисления растворенных и взвешенных в воде веществ. В малых реках, относительно сильно турбулизованных, то есть с высокой концентрацией кислорода, за сутки может окисляться половина и более содержащихся органических веществ. Характеристикой концентрации органического вещества является показатель БПК (биохимическая потребность в кислороде), который определяет, какое количество кислорода потребуется для полного окисления вещества. Теоретическое описание процессов, приводящих к изменению значения БПК, нашло отражение в работах Феэра, Томаса, Родзиллера и др. [Галлахер Л., Хоббс Дж.Л., 1981; Родзиллер, 1984; Готовцев, 2009; и др.]

Определение БПК в поверхностных водах используется в качестве интегрального показателя загрязненности воды, используется при контролировании эффективности очистных сооружений. Основным способом оценки качества воды являются сравнение концентраций ЗВ (ингредиентов или комплексных групп веществ) с нормированными значениями их предельно допустимых концентраций (ПДК).

Нормативные требования к качеству воды для водопользователей приведены в ГОСТ 2Д.5.689-98, ГН 2.1.5.690-98 «Предельно-допустимые концентрации вредных веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования». Анализ публикаций по рассматриваемой проблеме показал, что исследование распространения загрязняющих веществ в водных объектах является важной задачей. Одним из важнейших факторов, которые необходимо учитывать при прогнозировании переноса ЗВ в водных объектах является способность водоемов к самоочистке, а главной характеристикой процесса самоочищения является коэффициент скорости распада ЗВ.

Во второй главе, исходя из поставленных задач, приведен краткий анализ опыта математического моделирования процессов движения воды и переноса примесей, а также получено аналитическое решение одномерного нестационарного уравнения конвективно-диффузионного переноса (КДП) неконсервативных примесей.

Водность и гидродинамика потока, характер и интенсивность химических реакций и биологических процессов определяют предельно допустимую нагрузку на водный объект и необходимую степень очистки сбросных вод. В связи с этим, при исследовании процессов в движущихся средах в качестве основных выделяют диффузионный перенос той или иной субстанции и перенос, обусловленный движением среды, то есть конвективный перенос. Задача конвективно-диффузионного переноса является типичной для математических моделей механики жидкости и газа, по сути, уравнение можно представить как

уравнение баланса масс веществ. Проблемы математического моделирования динамических процессов в атмосфере и гидросфере обобщены в многочисленных монографиях и обзорах. [Ньистадт и др., 1985; Пряжинская и др., 2002; Страшкраба и др., 1989; Шишкин А.И., 1986; Данилов-Данильян и др., 2010]

В настоящее время на основе полуэмпирического уравнения турбулентной диффузии были получены аналитические решения для поля концентрации примеси в приземном слое атмосферы [Гандин, 1956]. Ряд авторов полуэмпирическое уравнение турбулентной диффузии решают численно, замыкая задачу на эмпирические данные с заданными горизонтальными составляющими вектора скорости ветра и коэффициентами турбулентного обмена по вертикали и горизонтали [Гаврнлов и др., 1989]. Выбор решения зависит от конкретных условий моделирования. Использование аналитических решений значительно упрощает решение задачи о распространении примесей и часто приводит к довольно важным результатам.

Аналитическое решение уравнения КДП.

Рассмотрим одномерное нестационарное уравнение конвективно-диффузионного переноса неконсервативных примесей.

вс+с^Адас (1)

& 8х 8х дх

где С - концентрация загрязняющего вещества, мг/л; ¡7- скорость потока воды, м/с; г - время, с; £> - коэффициент продольной диффузии, м2/с; К2 - коэффициент скорости распада загрязняющего вещества в воде в результате химической реакции первой степени, с"1; при этом К{>0.

Для решения уравнения (1) использовались преобразования Лапласа по направлению переменной в соответствии с правилами операционного исчисления. Рассмотрим начально-краевую задачу (НКЗ) рассеивания на бесконечности, что вполне соответствует физическим представлениям процесса распространения примеси при условии, что

С[о,х) = 0,хе [0,+оо) 1

С(;,0) = С0,Ге(0,Ч«4 (2)

с(л-к»)=о ]

Начально-краевая задача описывает такой физический процесс переноса примеси в области с заданной постоянной по времени концентрацией С0 от 0 до +оо по пространственной координате (по руслу водотока), где 0 соответствует начальному створу.

Считая, что коэффициент продольной диффузии И не зависит от координаты х и является постоянным (предположение справедливо, если течение в реке является плавно изменяющимся) получаем решение уравнения (1):

С(/,*) = С0|ех Р&Н-

ехр

1 \и

■еф

111'Ж+ъ .41 21 д л/7 мх>

+ ехр

-■ — х

•ег/с

210 V/ »41»

Вывод уравнения и анализ полученного решения представлены в диссертационной работе и публикациях [Волынов, Гусев, Евстигнеев, 2009].

Существуют различные модели, описывающие процессы переноса загрязняющих веществ [Дружинин и др., 1989; Кучмеит и др., 1983 и др.], но точные расчеты гидродинамических процессов конвективно-диффузионного переноса в пространстве и во времени и физико-химические превращения неконсервативных примесей в большинстве случаев невероятно сложны из-за громоздкости или отсутствия аналитических решений КДП. Полевые исследования и измерения процессов КДП в природных условиях трудны и дороги, кроме того, число возможных вариантов, как правило, во много раз превышает число реально существующих типовых объектов. Для удобства и эффективности применения уравнения конвективно-диффузионного переноса примеси было получено аналитическое решение.

Алгоритм расчета диффузного стока ЗВ в канале.

Диффузный источник (или сток) ЗВ характеризуется так называемым модулем диффузного стока Этот параметр позволяет учитывать процессы осаждения ЗВ (при м><0), а также выноса ЗВ из донных отложений (вторичное загрязнение) и/или дренирования ЗВ руслом (при м»>0).

Уравнение переноса массы ЗВ при стационарном течении воды в русле с учетом диффузных источников равномерно распределенных вдоль русла, имеет вид:

ек

а его решение при начальном условии 2(0)= 20:

= ' (5)

где х - расстояние по длине русла от начального створа, м; Ъ- поток (расход массы) ЗВ через поперечное сечение русла, г/с; V- скорость переноса ЗВ, м/с; кх - коэффициент скорости распада ЗВ, 1/с; м -модуль диффузного стока

ЗВ, г/(схм).

При организации эксперимента непосредственно измеряемой величиной является не г (поток ЗВ), а С (концентрация ЗВ, г/м3) и и (скорость течения воды, полагаемая в первом приближении равной скорости переноса ЗВ). В случае, когда есть основания полагать, что концентрация ЗВ неравномерна по

сечению потока (это наблюдается, например, в непосредственной близости от точечного источника ЗВ), требуется несколько измерений концентрации ЗВ с дальнейшим осреднением.

При одномерном стационарном течении средняя концентрация ЗВ в створе равна средней арифметической величине измеренных в данном створе концентраций:

п

ОД=-Тскх), (6)

п

/-1

где С/(х) - концентрация ¡-ого измерения в створе с координатойх, (¡=1,..., п), п — количество измерений в створе, С(х) - средняя концентрация в створе.

В случае, когда створ находится на достаточном (для перемешивания ЗВ) расстоянии от точечного источника, можно ограничиться одним измерением. Разделив левые и правые части уравнений (4) на скорость течения воды С/ (м/с) и расход воды ¡2 (м3/с), получим уравнение изменения концентрации ЗВ по длине русла:

, (7)

с!х и б

решение этого уравнения при начальном условии С(0)= С0 имеет вид:

С(х) = +(Со —■ ехр(~— • х) (8)

^ кг<2 и Куй' у и к '

Введем понятие «удельного модуля диффузного стока» о, определив его как ■ Если модуль стока определяет приток диффузного ЗВ в единицу

времени на единице длины канала, то величина а> - модуль диффузного стока ЗВ, приходящийся на единицу расхода воды, г/м4.

Организуем измерение концентраций ЗВ в створах, расположенных на одинаковом расстоянии Дх, начиная с координаты х0. Непрерывную переменную х заменим на дискретную, а именно - нижний индекс у, обозначающий номер створа, в котором производилось измерение концентрации ЗВ (¡=1,2,..., N. где N — число наблюдаемых створов). Координата у—го створа определяется соотношением ху =х0+ у-Дх.

Рассмотрим три соседних створа: у—1, у,у+1. Запишем решение (8) для створов , выбрав для них в качестве начального один и тот же вышележащий створ у-1. Заметим, что при у = 1 координата начального створа совпадает с х0. В принятых обозначениях решения для двух соседних створов можно записать в следующем виде:

_ и-со и-со . К]

нет=|^-^)-ехр(-тг2Ад0

Система уравнений (9)-(10) содержит два уравнения и две неизвестные величины, а именно: и а. Возведем в квадрат обе части равенства (9) и разделим результат на равенство (10):

/ ■л

(с- и-а]

г

( и-со

С/+1

г т 11

Решая уравнение (11) относительно комплекса и ■ а !кх, получим:

Ц-со с]-\с]+\ ~с] Кх ~ Cj-\ ~2Cj+Cj+\ Из (12), получаем значение для со:

■ В. и

с]-\су+1

Cj-.\-2Cj + Cj+\

ч

Разделим равенство (9) на (10):

п. и-а]

Ч

и-а

С]Л-\ к\ .

= ехр

К\ -Ах

и

(12)

(13)

(14)

Прологарифмировав уравнение (14) и подставив в него значение комплекса ию/Ку, определяемое уравнением (12), получим решение для кх:

(15)

1 Ах

/ [ Ч-

Iе/

Из (13), (15) имеем: С]-\С}+\ - с]

' Ах

-2Су+ Су+]

~С1

(16)

<Cj-Cj+1

Таким образом, формулы (15), (16) дают возможность вычислить коэффициент распада загрязняющего вещества кх и удельный модуль диффузного стока а на основе измерения концентраций ЗВ в трех соседних створах, расположенных на одинаковом расстоянии Ах. Следует отметить, что при выводе этих формул использовалось предположение, что течение воды в канале одномерное, установившееся и равномерное. Это означает, что скорость и расход воды, а также глубина и площадь сечения потока не меняются ни во времени, пи в пространстве на всем исследуемом участке канала. При этом поток ЗВ является неравномерным, т.е. может меняться по длине канала как за счет

естественного распада, так и за счет диффузного поступления (или оттока) загрязняющих веществ.

Третья глава посвящена методшсе аналитических и натурных исследований, выполненных в диссертационной работе; приводятся характеристики опытного участка ОПХ «Полково», расположенного на юге Нечерноземной зоны Европейской части РФ в пределах Мещерской низменности, дано описание технического оборудования полигона, а также представлены результаты полевых и лабораторных исследований.

Весь поверхностный и подземный сток с агроландшафта перехватывается открытым коллектором, что дает возможность измерить вынос различных загрязнителей с территории в водную систему, а также оценить распространение загрязняющих веществ в водотоке. Общая площадь оросительной системы составляет 111 га. Для полива используется закрытая оросительная система включающая: сеть подземных трубопроводов, две передвижные насосные станции СНП-75/100, водоисточншс для забора воды на орошение. Осушительная часть системы (общая площадь 500 га) представлена открытым коллектором (магистральным каналом) длиной 5 км, глубиной 2,5-3,0 м, шириной по дну 2,5 м, заложением откосов 1:1, редкой сетью открытых каналов и закрытым дренажом из керамических труб, расположенных на площади 224 га. Средняя глубина заложения дрен 1,3 м, расстояния между дренами 20 м, длина 100-200 м, уклон 0,002, диаметр коллекторов 250 мм, дрен 50 мм.

Целью эксперимента является точное отображение количественных отношений; выявление изменения концентрации азота, как загрязняющего вещества, по длине магистрального канала. Данные натурного эксперимента послужили базой для проведения модельного эксперимента, в котором была усилена роль теоретической основы исследования.

На магистральном канале были намечены посты, на которых был произведен забор проб поверхностного стока. Исследования включали в себя замер скорости потока в магистральном канале с помощью прибора «Nautilus С2000» и отбор проб на анализ химического состава воды в одиннадцати контрольных точках (гидрометрические посты 0-10) с промежуточными расстояниями 20 м. Точечным источником загрязнения является устье дренажной трубы, совмещенное с головным (нулевым) створом. Химический анализ проб воды выполнялся лабораторией Мещерского филиала ВНИИГиМ. Лабораторные исследования включали определение азотных соединений в водах магистрального канала (ГОСТ 18826-73). Данные анализа были получены в табличной форме, с указанием ПДК по каждому идентифицируемому веществу и представлены в табл. 1. Значения ПДК: NH(+ - 0,5 мг/л; N02" - 0,08 мг/л; N03" - 40 мг/л.

Табл. 1. Данные анализа воды в магистрапыюм канале.

№ гидрометрического поста / Точки отбора, м

Показатели, мг/л 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1®

0 20 40 60 80 100 Т20 140 160 180 200

N11/ 0,65 0,58 0,52 0,46 0,42 0,37 0,33 0,3 0,26 0,24 0,21

N03" 4,21 3,76 3,35 2,96 2,61 2,36 2,15 1,91 1,71 1,49 1,33

no2- 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05

рИ 7,24 7,23 7,24 7,23 7,23 7,23 7,24 7,23 7,23 7,24 7,23

Рис.1. Графики распространения концентраций NH4+ и N03" в магистральном канале (данные натурного эксперимента).

Полученные результаты натурных наблюдений стали основой для построения математической модели с целью проведения численных экспериментов и более детального изучения особенностей гидрохимических процессов.

В четвертой главе приведены результаты решения задач распространения загрязняющих веществ в канале при помощи разработанного математического аппарата и в программном комплексе MIKE 11, в котором уравнение КДП решается численно на основе предварительно построенной гидродинамической модели магистрального канала для проведения сравнительного анализа.

Решение уравнений КДП загрязняющих веществ в магистральном канале.

Для применения полученного аналитического решения одномерного уравнения конвективно-диффузионного переноса целесообразно использование математических компьютерных программ, облегчающих процесс получения численных результатов. Численные параметры, необходимые для расчета были взяты из экспериментальных данных. Подставив значения параметров (скорость потока, начальная концентрация и др.) в уравнение (3), получим следующие результаты.

га

1 - 5с;

1 - 10с; 1»15с.

\\\ \л>

10 20

30 40

Рис 2 Графшси распространения концентрации Ш3" в канале при нестационарном загрязнении; СМ),88м/с, С0=4,21мг/л, /<0=0,005с" при различных

\1

Рис 3 Графшси распространения концентрации Ш4+ в канале при нестационарном загрязнении; СМ),88м/с, Со=0,65мг/л, ^=0,008с" при различных I.

Рис.4. Распространение ИОз в канале через различные интервалы времени при расчете в среде М1КЕ 11.

Проверка адекватности полученного аналитического решения производилась путем сравнения результатов аналитического решения с результатами расчета в М1КЕ 11 Датского Гидравлического института и с результатами ттят\лшого экспеоимента.

На графике 1 1=5с (через 5 секунд после начала выброса). График 2 1=10с, график 3 1=60с. На графике 4 1=90с (через 90 секунд после начала выброса).

Рис.5. Распространение №-1„+ в канале через различные интервалы времени при расчете в среде М1КЕ 11.

График 5 1=180с, графшс 6 1=300с. На оси абсцисс отмечаются расстояния от точки выброса. На оси ординат отмечается концентрация загрязняющего вещества и уклон канала.

На графике Г 1=5с (через 5 секунд после начала выброса). График 2 1=[Ос, графшс 3- *=60с. На графике 4' *=90с. Графшс 5' 1=180с, графшс б 1=300'с. На оси абсцисс отмечаются расстояния от точки выброса. На оси ординат отмечается концентрация загрязняющего вещества и уклон канала.

Так как распределение значений аргумента равномерно для всех графиков за степень близости аналитического решения, решения полученного в МЖЕ 11 и данных натурного эксперимента принимается среднеквадратичное отклонение, определяемое по формуле:

/Кг,-*/)2

п-1

;при п<30.

(17)

где а - среднеквадратичное отклонение графиков; Рассмотрим координаты построенных графиков.

| " I'

£ 2Л-15*

РКСГО1М1». ч

Рис.6. Сравнение трафиков распространения примеси при установившемся движении аналитического решения, решения полученного в МЖЕ 11 и данных натурного эксперимента для N03 и Ш4 .

Статистическая обработка результатов расчета по №}3ЖН4+ на модели показала, что модельное и измеренное среднеквадратичное отклонение равно с=0ДЗ% / а=0,98%, а результаты расчета в МПСЕ 11 и измеренное среднеквадратичное отклонение равно с=2,48% / о=1,54%.

Выполненные качественные и количественные оценки результатов моделирования распространения примеси в магистральном канале позволяют сделать вывод о том, что построенная модель, в целом, может использоваться для решения задач, связанных с анализом и прогнозом распространения ЗВ.

Расчет диффузного стока в магистральном канале.

Для того, чтобы установить зависимости коэффициента скорости распада и модуля диффузного стока, с помощью программы, реализованной на язьпсе С)-Ваз1с, были проведены расчеты, процесс описывается уравнением (4), формулы (15), (16) восстанавливают значения К] и т (Таблица 2).

В качестве исходных данных по концентрациям ЗВ возьмем результаты расчета по формуле (8) для 11 створов, находящихся на расстоянии 20 метров друг от друга - как в исследуемом участке магистрального канала. При этом значения гидравлических характеристик (б и Ц) также реальные, однако значения К], а и С0 - произвольные. В этом случае результаты расчета «восстановленных» с помощью формул (15), (16) величин кх, т по тройкам соседних створов у-1, должны быть тождественны значениям К^ и т, использованным при расчете «входных» концентраций ЗВ по формуле (8). Причем это тождество должно выполняться при любом ^ 6 [1, 9].

При известных трудностях определения коэффициента скорости распада ЗВ, уравнения дают возможность нахождения истинного значения К].

Табл.2. Значения диффузного стока при различных значениях коэффициента скорости распада ЗВ._______

К, ИГ< У/з иг5 IV« И/у \Л/8 ]Л/9

1 -3.42 -2.94 -2.94 -1.95 -2.45 -1.96 -1.46 -1.97 -0.97 -1.47

5 -3.14 -2.68 -2.72 -1.74 -2.27 -1.80 -1.32 -1.84 -0.86 -1.37

10 -2.79 -2.36 -2.43 -1.49 -2.04 -1.59 -1.14 -1.68 -0.71 -1.24

15 -2.43 -2.04 -2.15 -1.24 -1.81 -1.39 -0.95 -1.51 -0.57 -1.11

20 -2.08 -1.73 -1.87 -0.98 -1.59 -1.19 -0.77 -1.35 -0.42 -0.98

25 -1.72 -1.41 -1.58 -0.73 -1.36 -0.99 -0.59 -1.19 -0.28 -0.85

30 -1.37 -1.09 -1.30 -0.47 -1.13 -0.79 -0.41 -1.03 -0.13 -0.72

35 -1.01 -0.77 -1.02 -0.22 -0.90 -0.58 -0.22 -0.87 0.01 -0.59

40 -0.66 -0.46 -0.73 0.04 -0.67 -0.38 -0.04 -0.70 0.16 -0.46

50 0.06 0.18 -0.17 0.54 -0.22 0.023 0.321 -0.38 0.45 -0.20

60 0.76 0.82 0.40 1.05 0.24 0.43 0.68 -0.06 0.74 0.06

Предложенный алгоритм расчета позволяет выбрать наилучший вариант отношения коэффициента скорости распада ЗВ и диффузного стока, для тео-

ретического и практического применения при расчете распространения примеси в водотоке. .

ей со и о

С

>х 3

-2

1 ( . 1 1 1-

_.. ; — — : - . — ' _ » .....

... ____

•- — : - Г- —

г , - 1 — —

1 —Г— ь-т— 1' —1 ■ Г- —

о 10 20 30 40 50 60

Коэффициент скорости распада ЗВ, сут

Рис.7. Изменение значения диффузного стока при различных значениях коэффициента скорости распада.

В пятой главе для апробации модели расчета распространения примеси в водотоке была выбрана часть бассейна р. Волги - р. Ока (114-1500км от ее истока). В этой части бассейна р. Волги была разработана расчетная схема и проведено разбиение ствола р. Оки на участки (всего выбрано 14 участков). Для моделирования были зафиксированы показатели количества и качества воды по основному загрязняющему веществу: аммонийный азот. В качестве критического расчетного периода для оценки качества воды была взята летне-осенняя межень.

В рамках создания базы данных также была проведена привязка крупных и средних притоков, а также рассредоточенной боковой приточности к р. Оке. При этом отсутствующие данные по водности р. Оки и ее притоков были выг числены по корреляции стока в рассматриваемых створах со стоком в створе г. Горбатов. Для информационной полноты базы данных потребовалось восстановить ряд поперечников по данным наблюдений гидрометрических постов. Для восполнения недостающих данных и упрощения расчетной схемы был сделан ряд упрощений и допущений:

- модель разработана для ствола р. Оки, все притоки учитывались

устьевыми расходами и концентрациями в иих;

- боковая приточиость (кроме крупных притоков) принималась равномерно распределенной по длине участка;

- загрязняющие вещества поступают непосредственно в ствол р. Оки, кроме поступлений с крупными притоками с известной концентрацией ЗВ;

- загрязняющие вещества не взаимодействуют друг с другом и другими загрязняющими веществами;

- коэффициент скорости распада ЗВ не меняется по длине каждого

участка.

В соответствии с допущениями по данным отчета Гидрохимического института (ГХИ) и программы «Клязьма - голубая река» были определены показатели качества вод, поступающих в ствол р. Оки от ее притоков. В частности, для рек Зуша, Упа, Жиздра, Протва, Москва, Проня, Мокша и Теша по данным отчета ГХИ была сделана выборка наблюденных концентраций ЗВ в период ярко выраженной летне-осенней межени, то есть за июль-август. Полученные таким образом ряды наблюденных концентраций были подвергнуты тщательному анализу. При этом оказалось, что концентрации ЗВ в большинстве притоков колеблются в широком диапазоне и имеют ярко выраженные скачкообразные изменения значений средних концентраций на участках ряда. На основании проведенного анализа для каждого ЗВ на каждом притоке индивидуально определялся ряд значений, характеризующих концентрацию данного ЗВ в притоке. При этом среднее арифметическое значение полученного ряда применялось как исходное для калибровки модели на данных 1989г.

Сбросы рассматриваемых ЗВ в ствол р. Оки на участках и в крупных городах были определены по данным ежегодной госстатотчетности 2ТП (вод-хоз) за 1989г. По условиям наличия контрольных створов с наблюденными концентрациями ЗВ и в соответствии с изменчивостью коэффициента скорости распада ствол р. Оки был разбит на 7 участков: ниже г. Орел - ниже г. Белев; ниже г. Белев - ниже г. Калуга; ниже г. Калуга - ниже г. Алексии; ниже г. Алексин - выше г. Касимов; выше г. Касимов - ниже г. Муром; ниже г. Муром-устье. Сбросы ЗВ в городах Орел, Калуга, Алексин, Серпухов, Ступино, Кашира, Коломна, Рязань, Касимов, Выкса, Муром, Павлово, Богородск, Дзержинск, стоящих непосредственно на стволе р. Оки, принимались по соответствующей таблице отчетности 2ТП (водхоз) и вычитались из сбросов ЗВ в ствол р. Оки на соответствующих участках.

Для определения массы ЗВ на каждом участке предусматривались следующие действия: составлялась пропорция между расходами небольших рек и равномерно распределенной по длине участка боковой приточностыо. Масса ЗВ (за исключением сбросов городов) распределялась согласно этой пропорции. Далее были заданы коэффициенты скорости распада ЗВ для всех рассматриваемых участков и проведена тарировка модели качества на основе

данных за 1989г. Затем были проведены расчеты с применением усовершенствованного метода расчета распространения примеси. В этих расчетах использовались упомянутые выше данные по сбросам ЗВ и концентрациям ЗВ в притоках. На основе результатов проведенных расчетов был выполнен анализ полученных концентраций ЗВ в стволе р. Оки. Эти концентрации сравнивались с наблюдаемыми концентрациями ЗВ в створах, по данным отчета ГХИ.

В случаях, когда расчетные концентрации ЗВ превышали наблюдаемые, проводилась коррекция коэффициента скорости распада ЗВ в сторону увеличения; в случаях, когда наблюдаемые концентрации превышали моделируемые, корректировка данных для модели заключалась как в уменьшении коэффициента скорости распада, так и в увеличении фоновых концентраций. В случае невозможности достичь приемлемых результатов моделирования при изменении вышеуказанных факторов, проводилась корректировка данных по сбросам ЗВ со сточными водами. При этом принималось предположение о том, что данные отчетности 2ТП (водхоз) занижены, а сама эта отчетность охватывает не все предприятия-источники сбросов ЗВ.

В результате корректировок данных по концентрациям ЗВ в поступающих расходах и коэффициентов скорости распада загрязняющего вещества получены модельные концентрации ЗВ, мало отличающиеся от натурных концентраций.

Рис.8. Плановое положение контрольных створов.

Табл.3. Результаты расчета распространения К-№13 Расход массы, г/сек- Расход, м3/с

в русле р. Оки.

№ створа

Область

участок 1 0 Юц-Ь 0 0 0 0 0 0 0 0 3.32 2.39 Орловская

СО о-Я 1 0 0 0 0 0 0 0 0 2.49 8.2 Орловская

участок ^ 1 (О 1-Ь 0 0 0 18.924 0 0 0 18.924 8.2 0.1 Орловская

СО,-И 2 0 0 0 18.924 0 0 0 18.924 0 8.3 Орловская

участок 3 83

2 аь-ь 18.924 0 0 0 0 0 0 0 Орловская

СО 2-Я 3 0 16.156 0 0 0.364 0343 0.364 16.499 7.28 15.580 Орловская

участок 4 3 С0з-Ь 16.156 0 0 10.187 0.343 0 16.499 10.187 15.580 22.480 Орловская

СО з-Я 4 0 13.834 0 8.804 20.822 20.197 20.822 42.834 35.920 73.980 Тульская

4 13.834 8.804 20.197 42.834 73.980

00 „-ь 0 48.825 0 48.825 90.580 Калужская

СО 4-Я 0 0 1.026 1.026 8.520 Тульская

5 19.041 22330 0.692 42.063 173.100

участок 6

5 42.063 0 0 42.063 173.100

со5-ь 0 8.643 0 8.643 43.620 Московская

СО 5-к 0 0 5.856 5.856 12.200 Калужская

6 21.517 6.638 3.205 31.359 228.900

участок 7

6 31.359 0 0 31.359 228.900

С0«-Ь 0 300.127 0 300.127 91.700 Московская

СО 6-1* 0 0.000 0 0 0 Московская

7 22.121 258.724 0 280.846 320.600 --

участок 8

7 280.846 0 0 280.846 320.600

СОт-Ь 0 0.815 0 0.815 16.300 Московская

0 0 0 0 0 Московская

8 199.445 0.674 0 200.119 336.900

1 2 3 4 5 б 7

участок 9

8 200.119 0 0 200.119 336.900

С08-Ь 0 0 0 0 0 Рязанская

СО 8-11 0 0 0 0 0 Рязанская

9 102.081 0 0 102.081 336.900

участок 10

9 102.081 0 0 102.081 336.900

009-Ь 0 0 0 0 0 Рязанская

00,-11 0 0 9.215 9.215 16.300 Рязанская

10 87.240 0 8.830^ 96.070 353.200

участок 11

10 96.070 0 0 96.070 353.200

0 0 0 0 0 Рязанская

00,0-Я 0 0 33.456 33.456 137.180 Рязанская

11 49.040 0 23.539 72.579 490.400

участок 12

11 72.579 0 0 72.579 490.400

СО и- ь 0 7.544 0 7.544 47.420 Владимирская

СО „-я 0 0 15.758 15.758 55.720 Нижегородская

12 36.797 6529 11.277 54.602 593.500

участок 13

12 54.602 0 0 54.602 593.500

Ю,2-Ь 0 133.770 0 133.770 102.900 Владимирская

СО 12-и 0 0 0.290 0.290 2.900 Нижегородская

13 33.566 105.594 0.000 139.161 699.300

13 139.161 0 0 139.161 699.300

Ю,3-Ь 0 0 0. 0 0 Нижегородская

00,з-Я 0 0 70.126 70.126 21.260 Нижегородская

14 107.369 0 61.251 168.620 720.600

Рнс.9. Зависимости концентрации N-№13 от расхода и расстояния от истока р. Оки.

Исходя из значения ПДКм.Шз=0,39мг/л, была рассчитана кратность превышения ПДК. Из полученных результатов, наиболее загрязненным по N-NH3 является участок ниже г. Орла, участок в нижнем течении р. Оки (г. Дзержинск). Значения коэффициентов скорости распада при этом изменяются в пределах от 0,001 до 0,015.

БАССЕЙН Р.ОКИ

В заключении изложены основные выводы по выполненной работе:

1. Изучение процессов распространения загрязняющих веществ в водотоках показало актуальность раздельного исследования точечных и диффузных сбросов ЗВ. Основной проблемой в изучении диффузного загрязнения водных объектов является определение реальной массы привноса загрязняющих веществ с хозяйственно освоенных территорий и оценка их воздействия на качество поверхностных вод.

2. В результате анализа современных методов прогнозирования распространения загрязняющих веществ в водной среде установлено, что основным инструментом исследования является уравнение конвективно-диффузионного переноса, а главным методом изучения проблемы является математическое

5 ПДК 4 ПДК ЗПДК 2 ПДК 1 ПДК

X

JL

Рис.10. Изменение концентрации N-NH3 по длине р. Оки.

моделирование с использованием численных и аналитических решений, однако существующие математические модели требуют совершенствования для оценки влияния диффузного стока.

3. Получено аналитическое решение уравнения конвективно-диффузионного переноса примеси, которое является наиболее удобным и быстрым способом оценки динамики загрязняющих веществ в водотоке. Решение позволяет рассчитывать распространение неконсервативных примесей в водотоках в качестве экспресс-метода и использует минимальное количество необходимых параметров (скорость потока, концентрация в начальном створе, коэффициент скорости распада, расстояние, время).

4. Выполнен сравнительный анализ результатов прогнозирования изменения концентрации примеси, полученных с помощью предложенного аналитического решения и численного моделирования (MIKE 11), с результатами натурного эксперимента, который показал высокую сходимость полученных результатов, а также экономию времени расчета по сравнению с численным решением, применяемым в MIKE 11.

5. Проведен натурный эксперимент для исследования динамики распространения азотных соединений в магистральном канале ОПХ «Полково». Полученные данные послужили базой для проведения модельного эксперимента, в котором была усилена роль теоретической основы исследования диффузного стока. По результатам экспериментов разработан алгоритм расчета диффузного стока в водотоке. Данный метод позволяет рассчитывать значение диффузного стока в зависимости от коэффициента скорости распада, используя минимальный набор необходимых измерений (скорость потока, концентрация в трех соседних створах, коэффициент скорости распада, расстояние между створами). Для участка магистрального канала ОПХ «Полково» создана имитационная модель переноса примеси с учетом рассредоточенного стока.

6. Для апробации полученной модели выполнен расчет изменения концентрации аммонийного азота в русле р. Оки с учетом диффузного стока на основе натурных данных. В результате корректировки данных по концентрациям ЗВ в поступающих расходах и коэффициентов скорости распада загрязняющего вещества получены модельные концентрации ЗВ, отличающиеся от натурных в пределах точности расчета. Использование разработанной имитационной модели позволяет провести более глубокое водохозяйственное обоснование комплекса мероприятий по охране водных объектов.

Публикации в центральных изданиях, включенных в перечень периодических изданий ВАК РФ 1. Гусев А.Е. Применение одномерного уравнения конвективно-диффузионного переноса примеси в моделировании стационарных течений. /А.Е. Гусев // Природообустройство. - М., 2011. №2. - С.28-31.

2. Гусев А.Е. Сравнение результатов численного и аналитического решения одномерного уравнения конвективно-диффузионного переноса примеси. /А.Е. Гусев // Аграрная наука. - М., 2011. № 5. - С. 36-37.

3. Гусев А.Е. Алгоритм расчета диффузного стока. /A.B. Готовцев, А.Е. Гусев// Аграрная наука. - М., 2011..№10. - С. 28-29.

Публикации в других изданиях

4. Гусев А.Е. Охрана водных ресурсов водоисточников АПК через установление водоохранных зон. /В.А. Голубкова, А.Е. Гусев, O.A. Дорои-кина//«Методы и технологии комплексной мелиорации и экосистемного водопользования». ГНУ ВНИИГиМ Россельхозатсадемии. Научное издание.-М„ 2006. -С.78-83.

5. Гусев А.Е. Новый спектрально-объемный метод численного решения уравнения мелкой водыЖВ. Гугушвгати, А.Е. Гусев, Н.М. Евстигнеев, Д.А. Леонтьев //Проблемы устойчивого развития мелиорации и рационального природопользования. Том П. Материалы юбилейной международной научно-практической конференции (Костяковские чтения). -М.: Изд.ВНИИА, 2007. - С.258-266.

6. Гусев А.Е. Некоторые вопросы моделирования качества вод. /А.Е. Гусев // «Роль природообустройства в обеспечении устойчивого функционирования и развития экосистем (сборник научных трудов)». - М.:МГУП,

2006. — С.268-271.

7. Гусев А.Е. Аналитическое решение одномерного нестационарного уравнения конвективно-диффузиоштого переноса иекоисервативных примесей. /М.А. Волынов, А.Е. Гусев, Н.М. Евстигнеев // Сборник научных трудов. М.:МГУП, 2009. - С.41-48.

Подписано к печати 19.10.2011. Заказ №45. Тираж 100 экз. ГНУ ВНИИГиМ Россельхозакадемии 127550, Москва, ул. Б. Академическая, 44

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Гусев, Алексей Евгеньевич

Введение.

Глава 1. Распространение загрязняющих веществ в водном объекте.

1.1. Основные факторы загрязнения водных объектов.

1.2. Роль неточечных (диффузных) источников в загрязнении водных объектов.

1.3. Процессы самоочищения водоемов при сбросе в них сточных вод.

1.4. Классификация загрязняющих веществ в водной среде.

1.4.1. Азотные соединения в водной среде.

Глава 2. Методы оценки распространения загрязнения в водном объекте.

2.1. Методы математического моделирования процессов переноса, осаждения и распада ЗВ.

2.1.1. Решение краевых задач конвективно-диффузионного переноса примеси.

2.2. Уравнение конвективно-диффузионного переноса примеси.

2.3. Аналитическое решение одномерного нестационарного уравнения конвективно-диффузионного переноса неконсервативной примеси.

Глава 3. Экспериментальное исследование распространения примеси в водотоке.

3.1. Цель проведения натурного эксперимента.

3.2. Описание объекта исследования.

3.3. Опытное оборудование полигона «Полково».

3.4. Методика полевых исследований.

3.5. Результаты полевых и лабораторных исследований.

3.6. Обоснование выбора математической модели для описания распространения загрязнения.

Глава 4. Решение уравнений конвективно-диффузионного распространения примеси в магистральном канале.

4.1. Расчет и результаты конвективно-диффузионного переноса азотных соединений с использованием аналитического решения одномерного уравнения конвективно-диффузионного переноса.

4.2. Расчет конвективно-диффузионного переноса азотных соединений с использованием программного комплекса MIKE 11.

4.2.1. Создание компьютерной модели.

4.2.2. Результаты расчетов конвективно-диффузионного переноса азотных соединений с использованием MIKE 11.

4.3. Результаты и выводы физического и численного экспериментов.

4.4. Алгоритм расчета диффузного стока и коэффициента скорости распада загрязняющих веществ в канале.

Глава 5. Контрольный пример.

5.1. Начальные данные.

5.2. Результаты расчета.

Введение Диссертация по сельскому хозяйству, на тему "Моделирование переноса азотных соединений в водотоках"

Актуальность проблемы. Проблема сохранения природных вод, их качества и ресурсного потенциала водосборов особенно актуальна для промышленно развитых стран мира и, в том числе, для Российской Федерации. Обострение экологических проблем, связанных с ухудшением состояния водных объектов под влиянием антропогенной нагрузки, определяет необходимость получения максимально точной и достоверной информации об источниках загрязнения, объемах поступления и распространении загрязняющих веществ.

Одним из требований методических указаний по разработке нормативов допустимого воздействия на водные объекты, разработанных в соответствии с Постановлением Правительства Российской Федерации от 30 декабря 2006 № 881 «О порядке утверждения нормативов допустимого воздействия на водные объекты» и утвержденных приказом МПР от 12.12.2007 № 328, является определение общей массы привноса в водный объект или его часть загрязняющих химических и иных веществ с учетом всех источников воздействия, особенностей миграции и трансформации веществ, а также транзитного поступления загрязняющих веществ. При планировании ряда водохозяйственных мероприятий важное практическое значение имеет объективная оценка и прогноз пространственно-временной изменчивости качества вод. Создание математической модели, адекватно отображающей процессы распространения загрязняющих веществ (ЗВ) в водотоке, определяет актуальность исследований данного направления.

Цели и задачи исследований. Целью исследований является разработка расчетных методов, математических моделей и программных средств для прогнозирования распространения загрязняющих веществ (азотных соединений) в руслах рек и каналов.