CC BY
32
4. Полубаринова-Кочина, П.Я. Теория движения грунтовых вод / П.Я. Полубаринова-Кочина. - М. : Наука, 1977. - 664 с.
5. Сологаев, В.И. Фильтрационные расчеты и компьютерное моделирование при защите от подтопления в городском строительстве : монография / В.И. Сологаев. - Омск, 2002. - 416 с.
6. Геологический словарь. Т. 1. - М.: Недра, 1978. - 488 с.
Сологаев Валерий Иванович, доктор техн. наук, профессор, Омский ГАУ, [email protected]; Парфентьев Олег Александрович, аспирант, Омский ГАУ, [email protected].
4. Polubarinova-Kochina, P.Ya. Teoriya dvizheni-ya gruntovyih vod / P.Ya. Polubarinova-Kochina. - M. : Nauka, 1977. - 664 s.
5. Sologaev, V.I. Filtratsionnyie raschetyi i kompyuternoe modelirovanie pri zaschite ot podtopleniya v gorodskom stroitelstve : monografiya / V.I. Sologaev. -Omsk, 2002. - 416 s.
6. Geologicheskiy slovar. T. 1. - M.: Nedra, 1978. - 488 s.
Sologaev Valery Ivanovich, Doctor of Technical Sciences, Professor, Omsk SAU, [email protected]; Parfentyev Oleg Aleksandrovich, Postgraduate Student, Omsk SAU, [email protected].
Статья поступила в редакцию 28 февраля 2016 г.
УДК 504.4.06 ГРНТИ 37.27.51
О.Н. Дёмина
ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМЫ ВОДООТВЕДЕНИЯ
ПОВЕРХНОСТНОГО СТОКА
Рассмотрены параметры природоохранной строительной системы, позволяющей управлять осаждением взвешенных наносов в талом стоке, как на водосборной территории, так и в сооружениях механической очистки, что позволит обеспечить максимальную экологическую безопасность поверхностных водоемов. Предлагается вариант создания системы охраны водных объектов, включающей дренажную сеть, сеть эффективного управления отводом поверхностного стока на сооружения механической очистки, инженерные мероприятия, позволяющие организовать их работу при различных режимах с максимальной эффективностью. Задача данной работы состоит в расчете оптимальных параметров конструкции горизонтальных отстойников - периметра сбросной шахты отстойника и глубины воды над ней - на прохождение различных расходов периода паводка с помощью метода неопределенных множителей Ла-гранжа. Рассчитав значения данных параметров для всего периода снеготаяния по дням, можно сделать шахту с возможностью их регулирования. В дни с максимальным расходом для обеспечения требуемого эффекта осветления необходимо увеличивать слой воды над шахтой или периметр ее заглубляемой части. Изучена возможность осветления при дополнительном изменении условий осаждения загрязняющих веществ. Исследования талого стока показали связь рН со значением величины свободной углекислоты. Представлена модель, позволяющая определять объемный коэффициент массопередачи диоксида углерода и тем самым влиять на осаждение взвешенных частиц талого стока.
Ключевые слова: горизонтальный отстойник, сливная перегородка, талый сток, регулирование рН.
O.N. Demina
PARAMETERS OPTIMIZATION OF THE DRAINAGE SYSTEM OF SURFACE RUNOFF
The article considers the components of environmental building systems that allow you to control the deposition of suspended sediment in a thawed drain, as the catchment area and in buildings mechanical treatment, which will ensure maximum environmental safety of surface water.
A version of a system protection of water bodies, including the drainage network, effective network management diversion of surface runoff in the mechanical treatment facilities, engineering activities, allowing to organize their work in different modes with maximum efficiency is proposed. The task of this work consists in the calculation of the optimal design parameters of horizontal tanks - the perimeter relief and the shaft sump water depth over it - passing on the costs of various flood periods using the method of undetermined Lagrange multipliers. By calculating the values of these parameters for the entire period of melting of snow by day, you
© Дёмина О.Н., 2016
can make the shaft with the possibility of its regulation. In the days of the maximum flow rate to achieve the desired effect of purification, it is necessary to increase the layer of water above the shaft or part of the perimeter of its deepened part. The possibility of further purification with changing conditions of deposition of pollutants was studied. Studies of snowmelt runoff have shown a link between pH and value of free carbon dioxide. The model, which allows to determine the volumetric mass transfer coefficient of carbon dioxide, and thus affects the deposition of suspended particles in snowmelt runoff is presented.
Keywords: horizontal sump drain partition, snowmelt runoff, regulation of pH.
Введение
В настоящее время вопросы охраны водных ресурсов приобретают исключительно важное значение в связи с повышением уровня загрязненности и объемов поверхностного стока [1]. Традиционно очистке и обезвреживанию поверхностного стока уделялось значительно меньше внимания, чем очистке городских и промышленных сточных вод. Защиту водных объектов от загрязнения нельзя обеспечить, используя какой-то один вид сооружений: необходимо разрабатывать полноценную природоохранную строительную систему, включающую дренажную сеть, сеть эффективного управления отводом поверхностного стока на сооружения механической очистки, инженерные мероприятия, позволяющие организовать их работу при различных режимах с максимальной эффективностью.
В соответствии с требованиями СанПиН 2.1.5.980-00 и ГН 2.1.5.1315-03 [2-4] при сбросе вод в водные объекты содержание взвешенных веществ в контрольном створе не должно увеличиваться по сравнению с естественными условиями более чем на 0,25 мг/дм3 для водоемов питьевого и хозяйственно-бытового водоснабжения и на 0,75 мг/дм3 для водных объектов рекреационного водопользования. Для водных объектов, содержащих в межень более 30 мг/дм3 природных взвешенных веществ, допускается увеличение их содержания в воде в пределах 5 %.
Несмотря на то, что горизонтальные отстойники являются наиболее распространенными гидротехническими сооружениями механической очистки воды, расчеты по определению оптимальных параметров их конструкции не всегда обеспечивают максимальную экологическую безопасность поверхностных водоемов при минимальных затратах на их строительство.
Особенное значение должно уделяться отстойникам, принимающим талую воду со снего-свалок, промплощадок и загрязненных водосборных территорий. Количество воды, поступающей на данные очистные сооружения в период весеннего половодья, определяется главным образом запасами воды в снеге и интенсивностью снеготаяния, дающего наибольший максимальный расход воды. Прохождение максимальных расходов нередко может быть связано с разрушением гидротехнического сооружения, если размеры периметра сбросной шахты отстойника и глубины воды над ней не рассчитаны на пропуск таковых расходов.
Объекты и методы
Для аналитического решения задачи оптимизации размеров периметра заглубляемой части шахты отстойника и глубины воды над ней был применен метод неопределенных множителей Лагранжа. Была составлена функция Лагранжа в виде линейной комбинации функции f и функций V^i, взятых с коэффициентами, называемыми множителями Лагранжа - /.,:
L( x, y) = J( x) + £Ай( x),
где A = (A...A).
Далее необходимо составить систему из n + m уравнений, дифференцировать и приравнять
к нулю частные производные функции Лагранжа L(X,A) по Xj и Таким образом, считая сбросную шахту отстойника прямоугольным водосливом с тонкой стенкой, с помощью метода множителей Лагранжа можно получить необходимое условие для задачи минимизации функции:
L = f (Xi, Х2) = 2 Х1 + Х2 при условии Q = mXXiJ2gX1 ;
Lm = 2X + X2 +A(m 2X1^X7 -Q), где L - периметр над сбросной шахтой отстойника, величина, аналогичная смоченному периметру; X1 - глубина воды на водосливе; Х2 - ширина водосливного фронта (или периметр
сбросной шахты отстойника); Q - расход водослива, м/с; т - коэффициент расхода, равный т = ф • £ = 0,97 • 0,435 = 0,42, где £ - коэффициент вертикального сжатия; ф - коэффициент скорости.
С помощью вышеуказанного метода определяют глубину воды на водосливе и ширину водосливного фронта шахты отстойника, который может принимать талую воду с водосборной территории юго-восточной окраины г. Фокино Брянской области.
Расчетный максимальный расход талой воды с данной водосборной территории у10«/о при вероятности превышения 10 % находится по редукционной формуле [5].
Период снеготаяния, который длиться в среднем 12 дней, предлагается делить на четыре периода по аналогу суточного хода расходов воды, измеренных на Нижнедевицкой стоковой станции [6].
В результате можно получить график (рис. 1) со степенными зависимостями ширины
у0.4035
водосливного фронта и глубины воды на водосливе от расходов воды: Х1 = 0,9235 у и
00.409
2 соответственно.
Рассчитав значения данных параметров для дней с разными расходами, можно сделать шахту с возможностью их регулирования. В дни с максимальным расходом для обеспечения требуемого эффекта осветления необходимо увеличивать слой воды над шахтой или периметр ее заглубляемой части. Однако увеличение слоя воды приведет к повышению мутности
сбросной воды. В качестве варианта слой воды предлагается оставить оптимальным для соблюдения условий выпуска вод в водные объекты, а ширину сливного фронта увеличить, но тогда нужно ставить не шахту, а переливную стенку поперек потока. С помощью такой перегородки можно менять и слой осветленной воды, и ширину сливного фронта, а также можно двигать ее по длине отстойника для увеличения его производительности.
Для того чтобы обеспечить максимальную экологическую безопасность при пропуске максимальных расходов воды, можно воспользоваться шандорами вместо сливной горизонтальной стенки, которые передвигаются для увеличения водосливного фронта.
Вероятно, при максимальном расходе (и соответственно максимальной мутности), потребуется дополнительное изменение условий осаждения, т.е. регулирование оптимального рН или добавление коагулянтов. При значениях расходов меньше средних сливную перегородку можно продвигать ближе к середине, так как излишне длительное нахождение воды в отстойнике предполагает усиление эффекта осветления, что лишает водный объект возможности осуществления естественных процессов самоочищения.
Естественные балки и понижения рельефа совместно с организованными каналами и лотками являются сетью эффективного управления отводом поверхностного стока. А уменьшение мутности стока до попадания на сооружения механической очистки приводит к уменьшению длины отстойников и, следовательно, стоимости строительства данных сооружений и очистки от заиления.
Рис. 1. График зависимости периметра сбросной шахты отстойника (Х2) и глубины воды над ней (Х1) от расходов воды
Результаты исследований
Исследования стока на разных территориях в разные года показали связь рН со значением величины свободной углекислоты (рис. 2) [6]. Поэтому, влияя на содержание СО2, можно получить нужное значение рН, при котором скорость осаждения взвешенных частиц будет
максимальной для повышения эффективности работы в дальнейшем сооружений механической очистки.
Данная методика осуществима по модели, позволяющей определять объемный коэффициент массопередачи диоксида углерода, который можно регулировать изменением гидродинамической обстановки, т.е. увеличением скорости потока и перемешиванием жидкости при перепадах уровней воды каналов на водосборной территории:
, = lacoj ß (Мо - х)х-10 рН-рК C -а (х- х )-10рН-рК -С* '
где аСО.1 - коэффициент метаболизма, характеризующий суммарное количество СО2, выделяемое при образовании одной клетки как за счет процессов метаболизма, так и в результате сопутствующей росту популяции NaHCO3 с кислыми продуктами обмена; ß1 - константа скорости образования биомассы; С0, С - начальная и текущая концентрация исследуемого вещества, моль/л.
Рис. 2. Зависимость рН от содержания СО2 в воде
Рис. 3. График определения необходимого значения коэффициента массопередачи для поддержания оптимального рН среды
Для условий: М0 = 310 кл/л; Х0 = 0,310 кл/л;
-1-11_____I____ a I Q _ п /слп-22 МОЛЬ ■ Л. К
/aNa+ / = 0,87-10-11 моль/кл; /«Со2 / ß1 = 13,6-10-
кл2 ■ ч ' 1 + к
Со№+ = 2,6^ 10 2 моль/л; = 0,8 построен график, позволяю-
щий определять необходимое значение коэффициента массопередачи по уравнению (1) для поддержания оптимального рН среды (рис. 3).
Заключение
Таким образом, с помощью предложенных методов оптимизации строительной системы охраны водных объектов: регулируемых размеров периметра заглубляемой части шахты отстойника и глубины воды над ней, изменения условий осаждения наносов - можно уменьшить объем внешних воздействий на водные ресурсы за счет снижения концентраций взвешенных веществ в талом стоке.
Список литературы
1. Ивченко, Л.В. Антропогенное воздействие на водные объекты Брянской области / Л.В. Ивченко // Конструирование, использование и надежность машин сельскохозяйственного назначения. - 2006. - № 1 (5). -С. 42-44.
2. СанПиН 2.1.5.980-00. Гигиенические требования к охране поверхностных вод. - М., 2000.
References
1. Ivchenko L.V. Human impact on water objects of Bryansk region / L.V. Ivchenko // Design, use and reliability of machines for agricultural purposes. - 2006. -No. 1 (5). - P. 42-44.
2. Sanitary code 2.1.5.980-0000. Hygienic requirements for the protection of surface waters. -M., 2000.
3. ГН 2.1.5.1315-03. Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования.
4. Зверева, Л.А. Эффективность питьевого водоснабжения в сельской местности / Л.А. Зверева // Проблемы энергообеспечения, информатизации и автоматизации, безопасности и природопользования в АПК : материалы Междунар. науч.-технич. конф. / под общ. ред. Л.М. Маркарянц. - М., 2013. - С. 34-36.
5. СНиП 33-101-2003. Определение основных расчетных гидрологических характеристик. - М., 2003.
6. Шамов, Г.И. Речные наносы / Г.И. Шамов. -Л. : Гидрометеоиздат, 1959. - 378 с.
Дёмина Ольга Николаевна, кандидат техн. наук, доцент, Брянский государственный аграрный университет, [email protected].
3. MR 2.1.5.1315-03. Maximum allowable concentrations (MACs) of chemicals in water drinking water facilities and recreational water use.
4. Zvereva L.A. The effectiveness of the drinking water supply in rural areas / L.A. Zvereva // Problems of energy, information technology and automation, security and environmental management in APK: International scientific and technical conference / edited by L.M. Markar-yants. - М., 2013. - P. 34-36.
5. SNiP 33-101-2003. Determination of the main settlement of hydrological characteristics. -M., 2003.
6. Shamov G.I. River sediments / G.I. Shamov. -L.: Gidrometeoizdat, 1959. - 378 s.
Demina Olga Nikolaevna, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Bryansk State Agricultural University, [email protected].
Статья поступила в редакцию10 марта 2016 г.
