Những đại lượng thủy văn và những yếu tố thủy lực cần thiết để tính toán sự pha loãng nước thải
Xác định các đặc trưng dòng cần thiết để tính toán sự pha loãng nước thải Khi tính toán xáo trộn rối trong sông ngòi trước tiên cần phải có lưu lượng nước tính toán. Hiện nay lưu lượng nước tính toán thường lấy là lưu lượng nước cực tiểu, suất đảm bảo ...
Xác định các đặc trưng dòng cần thiết để tính toán sự pha loãng nước thải
Khi tính toán xáo trộn rối trong sông ngòi trước tiên cần phải có lưu lượng nước tính toán. Hiện nay lưu lượng nước tính toán thường lấy là lưu lượng nước cực tiểu, suất đảm bảo 95 %. Với sự hiện diện của số liệu quan trắc nhiều năm có thể nhận trong tính toán, lưu lượng nước cực tiểu quan trắc. Phụ thuộc vào bài toán đặt ra mà chỉ định các lưu lượng nước tính toán khác cho tới cả khi đạt lưu lượng nước suất đảm bảo bé và thậm chí là cực đại.
Phù hợp với lưu lượng nước tính toán Q(m3/s) người ta xác định diện tích mặt cắt ướt ω (m2), vận tốc dòng chảy trung bình v (m/s), độ dốc mặt nước I (%), độ rộng trung bình B (m), độ sâu dòng chảy H (m). Sau đó tính toán hệ số Chezi C (m1/2/s). Các thành phần vận tốc ngang trên chỗ xoáy dòng chảy sông vz (m/s), giá trị hệ số khuếch tán rối D (m2/s).
Với sự hiện diện của độ dốc đo đạc, hệ số Chezi C tính theo công thức Chezi:
C=vHi size 12{C= { {v} over { sqrt { ital "Hi"} } } } {} (4.1)
còn không có số liệu về độ dốc - theo công thức đã biết của Manning, chứa hệ số độ nhám hay theo công thức Stricler - Manning
C=33Hd'1/2 size 12{C="33" left ( { {H} over {d'} } right ) rSup { size 8{1/2} } } {} (4.2)
với d' - đường kính hiệu dụng của phần tử trầm tích đáy (mm); đối với điều kiện sông ngòi xác định như giá trị 50 % độ lớn phần tử theo đường cong thành phần hạt; công thức (4.2) thể hiện ở dạng toán đồ (Hình 4.1).
Hệ số khuếch tán rối là tham số chính khi tính toán xáo trộn trong dòng, tính theo công thức:
D=gHvmC size 12{D= { { ital "gHv"} over { ital "mC"} } } {} (4.3)
với v - giá trị vận tốc trung bình trên đoạn lan truyền chất ô nhiễm, m/s; H - độ sâu trung bình trên đoạn tính toán, m; g - gia tốc rơi tự do, g = 9,81 m/s; đại lượng m là hàm của hệ số Chezi C và đối với giới hạn 10≤C≤60 size 12{"10" <= C <= "60"} {} nó quan hệ với C bằng mối phụ thuộc:
m = 0,7 C + 6 (4.4)
với C > 60, m = const = 48.
Vai trò quan trọng trong quá trình pha loãng nước thải ở sông ngòi là dòng chảy ngang. Sự hiện diện của các thành phần vận tốc vz tức là hoàn lưu nội trong dòng, dẫn tới sự tăng cường quá trình xáo trộn cần phải tính đến trong tính toán. Khi sử dụng các phương pháp chi tiết (Besxhaia, Orlov, 1983; Co sở phương pháp đánh giá..., 1987) ảnh hưởng của vz được tính trực tiếp, còn trong phương pháp tổ hợp tính toán hoàn lưu ngang được thực hiện bằng cách dẫn thừa số hiệu chỉnh k (lớn hơn 1) vào hệ số khuếch tán rối D. Đại lượng k là hàm của hệ thức (vz + ω)/ω với vz - giá trị trung bình của đại lượng tuyệt đối vận tốc thành phần theo thủy trực; ω - giá trị trung bình của đại lượng tuyệt đối thành phần ngang của nhiễu động vận tốc.
Hình 4.1. Toán đồ C=f(Hd') size 12{C=f ( { {H} over {d'} } ) } {}
Để tính vz, đề xuất công thức:
vz=0,13NHrvx size 12{v rSub { size 8{z} } =0,"13"N { {H} over {r} } v rSub { size 8{x} } } {} (4.5)
nhận được tích phân công thức A. V. Karausev (1960) khi dẫn hệ số hiệu chỉnh, bằng 0,5. Tích phân dẫn từ mặt dòng chảy đến độ sâu có vz thay đổi hướng ngược lại (gần 0,5 H). Trong công thức (4.5) qua H ký hiệu độ sâu trung bình dòng trên toàn bộ đoạn xem xét; vx - giá trị trung bình thành phần vận tốc dọc; r - bán kính đoạn cong của lòng sông coi như là đối với đoạn sông nằm thấp hơn chỗ đổ nước thải và bao goòm 1 - 2 xoáy. Tham số N - là số đặc trưng vô thứ nguyên của dòng rối, xác định số:
N=mCg size 12{N= { { ital "mC"} over {g} } } {} (4.6)
Để xác định N trong quan hệ C và m có thể sử dụng bảng 4.1.
Bảng 4.1. Giá trị m và N phụ thuộc vào c
| c | 10 | 15 | 20 | 25 | 30 | 35 | 40 | 45 | 50 | 55 | 60 | 65 | 70 |
| m | 13 | 16,5 | 20,5 | 23,5 | 27 | 30,5 | 34 | 37,5 | 41 | 44,5 | 48 | 48 | 48 |
| N | 13,3 | 25,2 | 40,8 | 59,9 | 82,6 | 108 | 139 | 172 | 209 | 249 | 294 | 318 | 343 |
Giá trị trung bình đại lượng tuyệt đối thành phần ngang của vận tốc tức thời (ω) xác định theo công thức
ω=vxN size 12{ω= { {v rSub { size 8{x} } } over { sqrt {N} } } } {} (4.7)
Ngoài hoàn lưu ngang trong dòng ảnh hưởng lớn lên cường độ quá trình xáo trộn còn cả sự phân bố không đồng đều của độ sâu trên đoạn đang xét. Nguyên nhân là khi tính toán sự pha loãng đối với điều kiện bài toán hai chiều khi tính toán bằng phương pháp tổ hợp người ta sử dụng mô hình lòng dẫn sơ đồ hóa, có độ sâu không đổi H. Việc sơ đồ hóa như vậy không cho phép tính đến các đặc điểm của lòng sông tự nhiên, gồm cả các đoạn sâu và nông xen kẽ (gò và vực). Tính biến động độ sâu theo dọc sông trên đoạn đang xét tăng cường tính bất đồng nhất động học của dòng và là một trong những nhân tố tạo rối của khối nước. Tính đến nhân tố này có thể thực hiện bằng cách đưa thêm hệ số kA nào đó vào hệ số khuếch tán rối D.
Hình 4.2.Toán đồ k'=fvz+ωω,θ. size 12{k'=f left [ left ( { {v rSub { size 8{z} } +ω} over {ω} } right ),θ right ] "." } {}
Xác định sự phụ thuộc của đại lượng kA từ tỷ số
với Hmax - độ sâu cực đại từ cức độ sâu trung bình trên đoạn đang xét, m.
Để xác định định lượng các hệ số k, kA cho đồ thị (Hình 4.2) trong đó k' = k + kA
Để tính hai nhân tố đã nêu - hoàn lưu ngang và tính biến động của độ sâu trên đoạn sông đang xét - hệ số khuếch tán rối nhân với đại lượng k':
Ds=Dk' size 12{D rSub { size 8{s} } = ital "Dk"'} {} (4.8)
với Ds - hệ số khuếch tán rối hiệu chỉnh.đặc trưng tổng điều kiện xáo trộn trong dòng chảy sông ngòi.
Trong hồ và hồ chứa ảnh hưởng mạnh đến quá trình xáo trộn là hoạt động của gió, cho nên khi đánh giá xáo trộn nước thải cần thiết để tiến hành tính toán dòng chảy gió, còn cũng tính đến tính biến động của đại lượng thủy văn và các yếu tố thủy lực. Tính biến động của các yếu tố thủy lực chịu ảnh hưởng của dao động các đặc trưng gió trên thủy vực. Các điều kiện đặc trưng nhất của sự pha loãng với vậntốc gió suất đảm bảo khác nhau cho trên hình 4.2.
Độ lặp lại vậntốc gió khác nhau trên độ cao 10 m trên mặt đất cho trong “Cẩm nang khí hậu Liên Xô“. Chuyển đổi về mặt nước thực hiện theo đồ thị A. S. Braslavski (Hình 4.3) và khi không có nó để chuyển đổi về gió độ cao 2 m trên mặt nước ta bổ sung hệ số k = 0,85. Số liệu về vậntốc gió được sử dụng đểtính toán vận tốc dòng chảy gió nhờ xấp xỉ quan hệdạng:
v=kω23+10h, size 12{v=kω rSub { size 8{2} } sqrt {3+"10"h} ,} {} (4.9)
Hình 4.3.Đồ thị quan hệ vậntốc gió trên nước độ cao cột chuẩn v 10 m
và trên trạm khí tượng v' ở mặt đất
với k - hệ số phụ thuộc vào hệ số Chezi C và xác định theo bảng 4.3 hoặc theo toán đồ (Hình 4.4); ω2 - vậntốc gió trên độ cao 2 m trên mặt nước, m/s; h - độ cao sóng 1 % đối với đoạn đang xét trong hệ thống sóng đã cho, m.
Bảng 4.2. Điều kiện xáo trộn trong thủy vực
với vậntốc gió suất đảm bảo khác nhau
| Điều kiệnxáo trộn | Suất đảm bảo vậntốc gió P % |
| Thuận lợi | 1 |
| Trung bình | 50 |
| Không thuận lợi | 90 |
Hình 4.4. Toán đồ để xác định vậntốc trung bình dòng chảy gió
Bảng 4.3. Giá trịk phụ thuộc vào hệ số Chezi C
| C | 10 | 20 | 30 | 40 | 50 | 60 | 70 | 80 | 90 | 100 |
| k.102 | 0,1 | 0,18 | 0,27 | 0,34 | 0,42 | 0,50 | 0,55 | 0,60 | 0,66 | 0,68 |
Hệ số Chezi tính theo công thức (4.2) hoặc theo toán đồ (Hình 4.4), đường kính hiệu dụng d' trong điều kiệnhồ và hồ chứa được xác định theo đường cong tích phân thành phần hạt như là đường kính giới hạn 10 % phần tử lớn nhất.
Hệ số khuếch tán rối với sóng gió yếu tính theo quan hệ (4.3). Khi hiện diện sóngrối của khối nước tăng cần được tính đến trong công thức tính toán hệ số khuếch tán rối, đặc trưng tổng cộng hiệu quả của dòng chảy vận chuyển và chuyển động sóng của khối nước. Trong trường hợp này để tính toán hệ số khuếch tán rối có dạng như sau:
D=ch+πv'Hd'1/3bH1/3 size 12{D= { { left ( ital "ch"+πv'H right )d' rSup { size 8{1/3} } } over { ital "bH" rSup { size 8{1/3} } } } } {} (4.10)
với c - vậntốc pha của sóng, m/s; v' - giá trị đại lượng vậntốc tải trung bình theo thủy trực, m/s; b - hệ số thực nghiệm nhận bằng 700; π = 3,14; d' - trong công thức này lấy đơn vị là m, H - độ sâu trung bình thủy vực trên đoạn, m. Công thức (4.10) dùng cho độ sâu nhỏ hơn 60 m.
Vận tốc pha của sóng với H > 0,5 L tìm được theo công thức:
c=gL2π size 12{c= sqrt { { { ital "gL"} over {2π} } } } {} (4.11)
còn đối với H < 0,5 L theo công thức
c=g(H+h) size 12{c= sqrt {g ( H+h ) } } {} (4.12)
Trong các quan hệ (4.11) và (4.12) L - bước sóng, m; h - độ cao sóng 1 % cũng trong vùng đó, m.
Do vậntốc dòng chảy gió thay đổi theo thời gian với sự thay đổi của vậntốc gió, thì trong lần xấp xỉ đầu tiên có thể coi rằng các đặc trưng phụ thuộc vào vậntốc gió (vậntốc dòng chảy gió, hệ số khuếch tán rối) có cùng suất đảm bảo và cùng nhân tố quyết định chúng. Và điều đó cho phép thực hiện tính toán pha loãng với số liệusuất đảm bảo các đặc trưng nguồn, nhận được suất đảm bảo vùng tính toán ô nhiễm.
Các ví dụ thực tế tính toán ô nhiễm đối tượng nước sẽ xem xét chi tiết trong các giáo trình (Besxenaia, Orlov, 1983; Orlov, 1988).
Bên cạnh thành phần hóa học nước thải một đặc trưng quan trọng là lượng nước thải, xâm nhập từ sông suối và thủy vực trong một đơn vị thời gian. Phụ thuộc vào tỷ lệ lưu lượng nước thải và sông suối hoặc thể tích thủy vực có tính đến thành phần hóa học nước thải và cường độ quá trình pha loãng (và tự làm sạch, nếu như quá trình này biểu hiện khá rõ) trong các đối tượng nước có thể đổ các lượng nước thải khác nhau trong một thời gian. Lưu lượng nước thải cho phép tới hạn có thể đổ vào sông suối vào pha dòng chảy nhiềuvà ít phụ thuộc vào việc có bảo toàn được chỉ số chất lượng nước hay không trong giới hạn chuẩn cho phép. Tương ứng với “Nguyên tắc bảo vệ nước mặt khỏi ô nhiễm bởi nước thải" (1975) tính đến 11 chỉ số thành phần và tính chất của nước sông và thủy vực sử dụng cho nhu cầu dùng nước uống và công cộng, chúng có các đại lượng giới hạn.Khi đổ nước bị ô nhiễm các chỉ số này khôngnhất thiết bị phá vỡ. Do không có một chỉ tiêu chất lượng nước duy nhất khi xác định lưu lượng nước cho phép tới hạn có thể đổ vào dòng nước (hay thủy vực) cần tập trung sử dụng một - hai chỉ số tới hạn có thể biểu diễn định lượng. Tất nhiên khi có mặt các chất độc hại cần tính đến nồng độ tới hạn cho phép của chúng (trong “Các nguyên tắc...” chỉ rõ PDK đối với 420 chất).
Khi thực hiện việc tẩy sinh học hay lý hóa học nước thải công nghiệp hay dịch vụ công cộng các chỉ số tới hạn chất lượng nước sẽ gồm hàm lượng ôxy hoà tan vag nhu cầu sinh hóa đầy đủ của nước về oxy (BPK). Các chỉ tiêu này là cơ sở để P. Đ. Gatilo (1969) soạn thảo phương pháp xác định khả năng để đổ lượng nước (đối với điều kiện Bạch Nga), mà trong dạng tính toánổng quát có thể thể hiện ở dạng sau đây:
(mrnLtin−Ld)−1 size 12{ times ( ital "mr" rSub { size 8{n} } L rSub { size 8{t rSub { size 6{ ital "in"} } } } - L rSub {d} size 12{ ) rSup { - 1} }} {} (4.13)
với Qtn - Tuyến đon chỉ định đổ lưu lượng nướcthải ô nhiễm, m3/s;Qn+1 - lln sông trên tuyến đo tính toán n + 1, nằm dưới tuyến đổ n (tuyến đo tính toán của người có nhu cầu dùng nước), hay tại tuyến đổ (n) không tính đến nước đổ; Q1i - lưu lượng nước lấy từ sông để cấp nước, tưới trên các đoạn nằm trên (i - số thứ tự tuyến đo từ trên xuống dưới theo chiều dòng chảy có tính đêna nhập lưu); Q2 - lưu lượng nước đổ của nước thải tương đối sạch; Qti - lưu lượng nước thải tại các tuyến đo nằm trên tuyến đo n; L, Lp và Ld - BPK tương ứng nước thải không ô nhiễm của sông ngòi cũng như là giới hạn cho phép trên tuyến đo tính toán của sông gO2/m3; m - hệ số tính đến sự xâm nhập nước thải từ lãnh thổ thành phố; r - hệ số phụ thuộc vào các quá trình tự nhiên axit sinh hóa củanước thải trên đoạn đổ đến tuyến đo tính toán và xác định theo phương trình ri=10−Ktτ size 12{r rSub { size 8{i} } ="10" rSup { size 8{ - K rSub { size 6{t} } τ} } } {}, với τ - thời gian nước đi từ tuyến đổ nước thải đến tuyến tính toán. K - hằng sốvậntốc axit sinh hóa với nhiệt độ nước oC, xác định theo quan hệ phụ thuộc vào hằng số khi nhiệt độ nước là 20 oC theo phương trình Kt=K.1,047t−20. size 12{K rSub { size 8{t} } =K "." 1,"047" rSup { size 8{t - "20"} } "." } {}
Nồng độ trung bình của ôxy hoà tan trong nước có thể xác định theo phương trình của P. Đ. Gatillo (1969) đề xuất, hoặc tương tự nó:
Cn+1=[CQn+1−∑1nQ1i+∑1nQ2i+∑1nCtiQti−∑1nQtiLti(1−ri)]Qn+1−∑1nQ1i+∑1nQ2i+∑1nQtalignl { stack { size 12{C rSub { size 8{n+1} } =[C left (Q rSub { size 8{n+1} } - Sum cSub { size 8{1} } cSup { size 8{n} } {Q rSub { size 8{1i} } } + Sum cSub { size 8{1} } cSup { size 8{n} } {Q rSub { size 8{2i} } } right )+ Sum cSub { size 8{1} } cSup { size 8{n} } {C rSub { size 8{ ital "ti"} } Q rSub { size 8{ ital "ti"} } } - {}} {} # Sum cSub { size 8{1} } cSup { size 8{n} } {Q rSub { size 8{ ital "ti"} } L rSub { size 8{ ital "ti"} } } ( 1 - r rSub { size 8{i} } ) ] left (Q rSub { size 8{n+1} } - Sum cSub { size 8{1} } cSup { size 8{n} } {Q rSub { size 8{1i} } } + Sum cSub { size 8{1} } cSup { size 8{n} } {Q rSub { size 8{2i} } } + Sum cSub { size 8{1} } cSup { size 8{n} } {Q rSub { size 8{t} } } right ) {} } } {} (4.14)
với C, Cti - nồng độ ôxy hoà tan tương ứng nước sông sạch và nước thải đã xử lý, gO2/m3; ri - hệ số triết giảm ô nhiễm trên đoạn từ nơi đổ nước thải đến tuyến đo tính toán; Lti (1- ri)- nhu cầu dùng ôxy riêng (trên 1 m3 nước thải trong 1 giây) trên quá trình axit hóa ô nhiễm do nước thải đổ vào gO2/m3.
Sự chú ý lớn nhất dành cho việc đánh giá nồng độ ôxy hoà tan cần tách ra khỏi thời kỳ băng tích và vào mùa hè, khi nhiệt độ nước vượt quá 20 oC.
Các tính toán nêu trên tiến hành đầu tiên áp dụng cho lưu lượng nướcmùa đông cực tiểu 30 ngày và hè thu. Trong các trường hợp đặc biệt, lưu lượng nước này có thể thay bằng lln tuần tẳng hoặc lln cực tiểu trung bình ngày phụ thuộc vào độ sạch yêu cầu của đối tượng nước. Trong trường hợp vượt quá của lượng nước đổ chỉ định so với tải trọng tới hạn cho phép nước thải của sông suốitiến hành tính lại giá trị đổ và lượng dư chuyển sang một nơi tích luỹ đạc biệt để đổ nó ở lần sau trong giai đoạn có lũ và lụt, khi đó sẽ thoả mãn các tỷ lệ đã nêutrên đây.
Như đã nói trên đây, lượng nước thải ở chừng mực nào đó phụ thuộc vào lưu lượng nước trong sông, xác định khả năng pha loãng của nó. Cho nên ảnh hưởng lớn tới chất lượng nước sông và hồ là đáng kể theo mức độ tích nước để đảm bảo nhu cầu dùng nước công nghiệp và dịch vụ công cộng của thành phố và các điểm dân cư, cũng như để thoả mãn các nhu cầu kinh tế nông nghiệp, đặc biệt là tưới. Việc tập trung nước tích cực có thể dẫn tới sự thay đổi đáng kể các quá trình sinh hóa diễn ra trong nó, ảnh hưởng tới chế độ nhiệt độ, gây nên sự quá tải của sông (hoặc hồ) bởi nước thải. Cho nên khi tiến hành tích nước từ các đối tượng nước cần để lại một lưu lượng nước xác định (hay thể tích) đáp ứng các tiêu chuẩn vệ sinh.
