Турбулентная диффузия в водной среде

Состояние водной среды во времени и пространстве изменяется под действием целого ряда факторов: внешних источников (сбросов, притоков), внешних стоков (изъятие воды, грунта, биоты), взаимодействий (химических, биохимических, экологических), перемещений (течений, молекулярной и турбулентной диффузии, осаждения). Полный учет всех этих факторов при оценке рассеяния загрязнителей в водной среде едва ли возможен.

Сбросы по существу являются источником загрязнителей. Изъятия существенны, если их объемы сопоставимы с объемом водоема (например, с речным потоком). Взаимодействия в большинстве случаев трудно учесть количественно. А вот роль перемещений в рассеивании загрязнителей, видимо, будет основной, поэтому она подлежит учету.

Из них основное внимание уделяется течениям и турбулентной диффузии, так как молекулярная диффузия характеризуется весьма малой скоростью, а осаждение существенно.

Течения играют существенную роль в переносе загрязнителей в реках и отдельных районах морей и океанов, причем более значимым и всеобщим фактором, по-видимому, является турбулентная диффузия.

Экспериментальные определения коэффициентов турбулентной диффузии показали, что в морях они зависят от «масштаба длины» (для 0,1 км – 10³ см²/с, для 1 км – 10⁴ см²/с, для 10 км – (3-5) ·10⁵ см²/с – ориентировочно) и уменьшаются с глубиной (приведенные величины относятся к поверхностному слою, а на глубине порядка 60 м они меньше примерно на один порядок). Используя эти значения коэффициентов турбулентной диффузии, можно оценивать рассеяние загрязнителей в крупных водоемах.

Концентрация загрязнителя в реке (С), если его поступление во времени постоянно и равно А, определяется выражением:

, (2.1)

где Q – расход реки в единицу времени; b – фоновая концентрация загрязнителя.

Коэффициент Q вводят для учета количества воды реки, участвующего в смешении со сточными водами.

Кратность разбавления сточных вод (n) в реке можно рассчитать по уравнению:

, (2.2)

где n - степень разбавления сточных вод под водой реки; Q - расход реки, м^З/с; q - расчётный расход сточных, вод, м^З/с; J - коэффициент смешения, учитывающий степень полноты смешения и разбавления сточных вод.

Коэффициент смешения всегда меньше единицы. Так как влияние сточных вод оценивается у ближайшего пункта водопользования, у этого пункта и надо определять степень разбавления. Расход воды реки является гидрологической характеристикой. Он определяется опытным путем соответствующими гидрогеологическими организациями.

При проектировании среднемесячный расход реки и коэффициент смешения берутся из данных гидрометеорологической службы, а расход сточных вод определяется расчетным путем или по аналогии с действующим предприятием подобного профиля.

После определения степени разбавления сточных вод нужно рас­смотреть вопрос возможного ухудшения качества воды в реке или в другом водоёме в результате сброса туда сточных вод.

Коэффициент J определяется по формуле

, (2.3)

где ; а – коэффициент, учитывающий гидравлические факторы смешения; L – расстояние от места сброса стока до рассматриваемого створа по фарватеру реки.

Коэффициент а, в свою очередь, определяется как

, (2. 4)

где j - коэффициент, зависящий от места выпуска стока (при выпуске у берега j = 1, на стрежне – j=1,5); f - коэффициент извилистости реки, равный отношению расстояния по фарватеру от выпуска до данного створа к расстоянию между ними по прямой; D – коэффициент турбулентной диффузии, который для равнинных рек определяется по формуле

, (2.5)

где V_ср- средняя скорость течения, м/с; H_ср - средняя глубина, м.

Теоретической основой этого метода расчета являются законы Фика.