345 346 * , H L b bH = (3.21) * , B L b bB = (3.22) ở đây L b - khoảng cách từ chỗ đổ nớc thải đến tuyến đo, nơi nồng độ tới hạn của chất bằng PDK; H * v B * đối với sông tính đợc giá trị trung bình của độ sâu v độ rộng dòng với một chế độ cụ thể trên đoạn sông đang xét; H * - độ sâu trung bình của thủy vực tại vùng ô nhiễm hay độ sâu trung bình thủy vực. Giá trị Bb đối với thủy vực không cần tính. Chỉ số diện tích tơng đối vùng ô nhiễm ( b ) tính theo các công thức: = b b (3.23) W W b b = (3.24) với b v W b - diện tích v thể tích ô nhiễm, tính hoặc đo với các điều kiện thủy văn cụ thể; v W - diện tích chung v thể tích nớc trên đoạn đang xét với các điều kiện nh thế. Các chỉ số nhóm ny có thể tính cho các điều kiện trung bình no đó (thí dụ Q 50 % hay với mực nớc dâng bình thờng cho hồ chứa), đối với điều kiện không thuận lợi (Q 95 % v.v ). Sử dụng các chỉ tiêu nhóm ny cho phép đánh giá sự thay đổi trạng thái vệ sinh dới ảnh hởng của các nhân tố quyết định - sự thay đổi các đặc trng thủy văn chủ yếu. Tại GGI đã thực hiện phân tích quan hệ các kích thớc vùng ô nhiễm trong các sông ngòi ( b , Z b ) từ sự biến động của các đặc trng thủy văn chủ yếu (Q p , Q t ) đối với sông ngòi dạng khác nhau (đồng bằng, đồi núi, lớn, trung bình v nhỏ) v đề xuất phơng pháp đơn giản tính toán các chỉ số phân bố không gian chất ô nhiễm phụ thuộc vo lu lợng nớc v dạng sông ngòi (phơng pháp toán đồ). Chơng 4 Những đại lợng thủy văn v những yếu tố thủy lực cần thiết để tính toán sự pha loãng nớc thải 4.1. Xác định các đặc trng dòng cần thiết để tính toán sự pha loãng nớc thải Khi tính toán xáo trộn rối trong sông ngòi trớc tiên cần phải có lu lợng nớc tính toán. Hiện nay lu lợng nớc tính toán thờng lấy l lu lợng nớc cực tiểu, suất đảm bảo 95 %. Với sự hiện diện của số liệu quan trắc nhiều năm có thể nhận trong tính toán, lu lợng nớc cực tiểu quan trắc. Phụ thuộc vo bi toán đặt ra m chỉ định các lu lợng nớc tính toán khác cho tới cả khi đạt lu lợng nớc suất đảm bảo bé v thậm chí l cực đại. Phù hợp với lu lợng nớc tính toán Q(m 3 /s) ngời ta xác định diện tích mặt cắt ớt (m 2 ), vận tốc dòng chảy trung bình v (m/s), độ dốc mặt nớc I (%), độ rộng trung bình B (m), độ sâu dòng chảy H (m). Sau đó tính toán hệ số Chezi C (m 1/2 /s). Các thnh phần vận tốc ngang trên chỗ xoáy dòng chảy sông v z (m/s), giá trị hệ số khuếch tán rối D (m 2 /s). Với sự hiện diện của độ dốc đo đạc, hệ số Chezi C tính theo công thức Chezi: 347 348 Hi v C = (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 2/1 ' 33 = d H C (4.2) với d' - đờng kính hiệu dụng của phần tử trầm tích đáy (mm); đối với điều kiện sông ngòi xác định nh giá trị 50 % độ lớn phần tử theo đờng cong thnh phần hạt; công thức (4.2) thể hiện ở dạng toán đồ (Hình 4.1). Hệ số khuếch tán rối l tham số chính khi tính toán xáo trộn trong dòng, tính theo công thức: mC gHv D = (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 lợng m l hm của hệ số Chezi C v đối với giới hạn 6010 C 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 nớc thải ở sông ngòi l dòng chảy ngang. Sự hiện diện của các thnh phần vận tốc v z tức l hon lu nội trong dòng, dẫn tới sự tăng cờng quá trình xáo trộn cần phải tính đến trong tính toán. Khi sử dụng các phơng pháp chi tiết (Besxhaia, Orlov, 1983; Co sở phơng pháp đánh giá , 1987) ảnh hởng của v z đợc tính trực tiếp, còn trong phơng pháp tổ hợp tính toán hon lu ngang đợc thực hiện bằng cách dẫn thừa số hiệu chỉnh k (lớn hơn 1) vo hệ số khuếch tán rối D. Đại lợng k l hm của hệ thức (v z + )/ với v z - giá trị trung bình của đại lợng tuyệt đối vận tốc thnh phần theo thủy trực; - giá trị trung bình của đại lợng tuyệt đối thnh phần ngang của nhiễu động vận tốc. Hình 4.1. Toán đồ ) ' ( d H fC = Để tính v z , đề xuất công thức: 349 350 xz v r H Nv 13,0= (4.5) nhận đợc 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 v z thay đổi hớng ngợc lại (gần 0,5 H). Trong công thức (4.5) qua H ký hiệu độ sâu trung bình dòng trên ton bộ đoạn xem xét; v x - giá trị trung bình thnh phần vận tốc dọc; r - bán kính đoạn cong của lòng sông coi nh l đối với đoạn sông nằm thấp hơn chỗ đổ nớc thải v bao goòm 1 - 2 xoáy. Tham số N - l số đặc trng vô thứ nguyên của dòng rối, xác định số: g mC N = (4.6) Để xác định N trong quan hệ C v m có thể sử dụng bảng 4.1. Bảng 4.1. Giá trị m v N phụ thuộc vo 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 lợng tuyệt đối thnh phần ngang của vận tốc tức thời ( ) xác định theo công thức N v x = (4.7) Ngoi hon lu ngang trong dòng ảnh hởng lớn lên cờng độ quá trình xáo trộn còn cả sự phân bố không đồng đều của độ sâu trên đoạn đang xét. Nguyên nhân l khi tính toán sự pha loãng đối với điều kiện bi toán hai chiều khi tính toán bằng phơng pháp tổ hợp ngời ta sử dụng mô hình lòng dẫn sơ đồ hóa, có độ sâu không đổi H. Việc sơ đồ hóa nh vậy không cho phép tính đến các đặc điểm của lòng sông tự nhiên, gồm cả các đoạn sâu v nông xen kẽ (gò v vực). Tính biến động độ sâu theo dọc sông trên đoạn đang xét tăng cờng tính bất đồng nhất động học của dòng v l một trong những nhân tố tạo rối của khối nớc. Tính đến nhân tố ny có thể thực hiện bằng cách đa thêm hệ số k A no đó vo hệ số khuếch tán rối D. Hình 4.2. Toán đồ .,' + = z v fk Xác định sự phụ thuộc của đại lợng k A từ tỷ số = H HH max với H max - độ sâu cực đại từ cức độ sâu trung bình trên đoạn đang xét, m. 351 352 Để xác định định lợng các hệ số k, k A cho đồ thị (Hình 4.2) trong đó k' = k + k A + = H HH v fk z A max ; Để tính hai nhân tố đã nêu - hon lu ngang v tính biến động của độ sâu trên đoạn sông đang xét - hệ số khuếch tán rối nhân với đại lợng k': 'DkD s = (4.8) với D s - hệ số khuếch tán rối hiệu chỉnh.đặc trng tổng điều kiện xáo trộn trong dòng chảy sông ngòi. 4.2. Xác định các đặc trng khí tợng v thủy lực của thủy vực cần thiết để tính toán sự pha loãng nớc thải Trong hồ v hồ chứa ảnh hởng mạnh đến quá trình xáo trộn l hoạt động của gió, cho nên khi đánh giá xáo trộn nớc thải cần thiết để tiến hnh tính toán dòng chảy gió, còn cũng tính đến tính biến động của đại lợng thủy văn v các yếu tố thủy lực. Tính biến động của các yếu tố thủy lực chịu ảnh hởng của dao động các đặc trng gió trên thủy vực. Các điều kiện đặc trng nhất của sự pha loãng với vận tốc gió suất đảm bảo khác nhau cho trên hình 4.2. Độ lặp lại vận tốc gió khác nhau trên độ cao 10 m trên mặt đất cho trong Cẩm nang khí hậu Liên Xô. Chuyển đổi về mặt nớc thực hiện theo đồ thị A. S. Braslavski (Hình 4.3) v khi không có nó để chuyển đổi về gió độ cao 2 m trên mặt nớc ta bổ sung hệ số k = 0,85. Số liệu về vận tốc gió đợc sử dụng để tính toán vận tốc dòng chảy gió nhờ xấp xỉ quan hệ dạng: ,103 2 hkv += (4.9) Hình 4.3. Đồ thị quan hệ vận tốc gió trên nớc độ cao cột chuẩn v 10 m v trên trạm khí tợng v' ở mặt đất với k - hệ số phụ thuộc vo hệ số Chezi C v xác định theo bảng 4.3 hoặc theo toán đồ (Hình 4.4); 2 - vận tốc gió trên độ cao 2 m trên mặt nớc, 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 vận tốc gió suất đảm bảo khác nhau Điều kiện xáo trộn Suất đảm bảo vận tốc gió P % Thuận lợi 1 Trung bình 50 Không thuận lợi 90 353 354 Hình 4.4. Toán đồ để xác định vận tốc trung bình dòng chảy gió Bảng 4.3. Giá trị k phụ thuộc vo hệ số Chezi C C 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 k.10 2 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), đờng kính hiệu dụng d' trong điều kiện hồ v hồ chứa đợc xác định theo đờng cong tích phân thnh phần hạt nh l đờng 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 sóng rối của khối nớc tăng cần đợc tính đến trong công thức tính toán hệ số khuếch tán rối, đặc trng tổng cộng hiệu quả của dòng chảy vận chuyển v chuyển động sóng của khối nớc. Trong trờng hợp ny để tính toán hệ số khuếch tán rối có dạng nh sau: () 3/1 3/1 '' bH dHvch D + = (4.10) với c - vận tốc pha của sóng, m/s; v' - giá trị đại lợng vận tốc tải trung bình theo thủy trực, m/s; b - hệ số thực nghiệm nhận bằng 700; = 3,14; d' - trong công thức ny lấy đơn vị l 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 đợc theo công thức: 2 gL c = (4.11) còn đối với H < 0,5 L theo công thức )( hHgc += (4.12) Trong các quan hệ (4.11) v (4.12) L - bớc sóng, m; h - độ cao sóng 1 % cũng trong vùng đó, m. Do vận tốc dòng chảy gió thay đổi theo thời gian với sự thay đổi của vận tốc gió, thì trong lần xấp xỉ đầu tiên có thể coi rằng các đặc trng phụ thuộc vo vận tốc gió (vận tốc dòng chảy gió, hệ số khuếch tán rối) có cùng suất đảm bảo v cùng nhân tố quyết định chúng. V điều đó cho phép thực hiện tính toán pha loãng với số liệu suất đảm bảo các đặc trng nguồn, nhận đợc suất đảm bảo vùng tính toán ô nhiễm. Các ví dụ thực tế tính toán ô nhiễm đối tợng nớc sẽ xem xét chi tiết trong các giáo trình (Besxenaia, Orlov, 1983; Orlov, 1988). 4.3. Xác định lợng nớc thải cho phép Bên cạnh thnh phần hóa học nớc thải một đặc trng quan trọng l lợng nớc thải, xâm nhập từ sông suối v thủy vực trong một đơn vị thời gian. Phụ thuộc vo tỷ lệ lu lợng nớc thải v sông suối hoặc thể tích thủy vực có tính đến thnh 355 356 phần hóa học nớc thải v cờng độ quá trình pha loãng (v tự lm sạch, nếu nh quá trình ny biểu hiện khá rõ) trong các đối tợng nớc có thể đổ các lợng nớc thải khác nhau trong một thời gian. Lu lợng nớc thải cho phép tới hạn có thể đổ vo sông suối vo pha dòng chảy nhiềuv ít phụ thuộc vo việc có bảo ton đợc chỉ số chất lợng nớc hay không trong giới hạn chuẩn cho phép. Tơng ứng với Nguyên tắc bảo vệ nớc mặt khỏi ô nhiễm bởi nớc thải" (1975) tính đến 11 chỉ số thnh phần v tính chất của nớc sông v thủy vực sử dụng cho nhu cầu dùng nớc uống v công cộng, chúng có các đại lợng giới hạn. Khi đổ nớc bị ô nhiễm các chỉ số ny không nhất thiết bị phá vỡ. Do không có một chỉ tiêu chất lợng nớc duy nhất khi xác định lu lợng nớc cho phép tới hạn có thể đổ vo dòng nớc (hay thủy vực) cần tập trung sử dụng một - hai chỉ số tới hạn có thể biểu diễn định lợng. 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 nớc thải công nghiệp hay dịch vụ công cộng các chỉ số tới hạn chất lợng nớc sẽ gồm hm lợng ôxy ho tan vag nhu cầu sinh hóa đầy đủ của nớc về oxy (BPK). Các chỉ tiêu ny l cơ sở để P. Đ. Gatilo (1969) soạn thảo phơng pháp xác định khả năng để đổ lợng nớc (đối với điều kiện Bạch Nga), m trong dạng tính toánổng quát có thể thể hiện ở dạng sau đây: ì + + 1 11 2 1 11 )()( n d titpd n i n int LLmrQLLQQQQ inn 1 )( ì dtn LLmr in (4.13) với Q tn - Tuyến đo n chỉ định đổ lu lợng nớc thải ô nhiễm, m 3 /s; Q n+1 - lln sông trên tuyến đo tính toán n + 1, nằm dới tuyến đổ n (tuyến đo tính toán của ngời có nhu cầu dùng nớc), hay tại tuyến đổ (n) không tính đến nớc đổ; Q 1i - lu lợng nớc lấy từ sông để cấp nớc, tới trên các đoạn nằm trên (i - số thứ tự tuyến đo từ trên xuống dới theo chiều dòng chảy có tính đêna nhập lu); Q 2 - lu lợng nớc đổ của nớc thải tơng đối sạch; Q ti - lu lợng nớc thải tại các tuyến đo nằm trên tuyến đo n; L, L p v L d - BPK tơng ứng nớc thải không ô nhiễm của sông ngòi cũng nh l giới hạn cho phép trên tuyến đo tính toán của sông gO 2 /m 3 ; m - hệ số tính đến sự xâm nhập nớc thải từ lãnh thổ thnh phố; r - hệ số phụ thuộc vo các quá trình tự nhiên axit sinh hóa của nớc thải trên đoạn đổ đến tuyến đo tính toán v xác định theo phơng trình t K i r = 10 , với - thời gian nớc đi từ tuyến đổ nớc thải đến tuyến tính toán. K - hằng số vận tốc axit sinh hóa với nhiệt độ nớc o C, xác định theo quan hệ phụ thuộc vo hằng số khi nhiệt độ nớc l 20 o C theo phơng trình .,. 20 0471 = t t KK Nồng độ trung bình của ôxy ho tan trong nớc có thể xác định theo phơng trình của P. Đ. Gatillo (1969) đề xuất, hoặc tơng tự nó: ++ + += + ++ n t n i n ini n titi n titi n i n inn QQQQrLQ QCQQQCC 11 2 1 11 1 11 2 1 111 )1( (4.14) với C, C ti - nồng độ ôxy ho tan tơng ứng nớc sông sạch v nớc thải đã xử lý, gO 2 /m 3 ; r i - hệ số triết giảm ô nhiễm trên đoạn từ nơi đổ nớc thải đến tuyến đo tính toán; L ti (1- r i )- nhu cầu dùng ôxy riêng (trên 1 m 3 nớc thải trong 1 giây) trên quá trình axit hóa ô nhiễm do nớc thải đổ vo gO 2 /m 3 . Sự chú ý lớn nhất dnh cho việc đánh giá nồng độ ôxy ho tan cần tách ra khỏi thời kỳ băng tích v vo mùa hè, khi nhiệt 357 358 độ nớc vợt quá 20 o C. Các tính toán nêu trên tiến hnh đầu tiên áp dụng cho lu lợng nớc mùa đông cực tiểu 30 ngy v hè thu. Trong các trờng hợp đặc biệt, lu lợng nớc ny có thể thay bằng lln tuần tẳng hoặc lln cực tiểu trung bình ngy phụ thuộc vo độ sạch yêu cầu của đối tợng nớc. Trong trờng hợp vợt quá của lợng nớc đổ chỉ định so với tải trọng tới hạn cho phép nớc thải của sông suối tiến hnh tính lại giá trị đổ v lợng d chuyển sang một nơi tích luỹ đạc biệt để đổ nó ở lần sau trong giai đoạn có lũ v lụt, khi đó sẽ thoả mãn các tỷ lệ đã nêu trên đây. Nh đã nói trên đây, lợng nớc thải ở chừng mực no đó phụ thuộc vo lu lợng nớc trong sông, xác định khả năng pha loãng của nó. Cho nên ảnh hởng lớn tới chất lợng nớc sông v hồ l đáng kể theo mức độ tích nớc để đảm bảo nhu cầu dùng nớc công nghiệp v dịch vụ công cộng của thnh phố v các điểm dân c, cũng nh để thoả mãn các nhu cầu kinh tế nông nghiệp, đặc biệt l tới. Việc tập trung nớc tích cực có thể dẫn tới sự thay đổi đáng kể các quá trình sinh hóa diễn ra trong nó, ảnh hởng tới chế độ nhiệt độ, gây nên sự quá tải của sông (hoặc hồ) bởi nớc thải. Cho nên khi tiến hnh tích nớc từ các đối tợng nớc cần để lại một lu lợng nớc xác định (hay thể tích) đáp ứng các tiêu chuẩn vệ sinh. Chơng 5 Bảo vệ các đối tợng nớc khỏi cạn kiệt Việc sử dụng tích cực các sông suối, thủy vực v nớc ngầm nh l nguồn cấp nớc có thể dẫn tới sự cạn kiệt ti nguyên nớc mặt v nớc ngầm vùng đó. Trong các sông suối v thủy vực cần phải để lại một lợng nớc no đó đảm bảo sự duy trì sinh thái thuận lợ của đối tợng nớc m còn cả điều kiện nhu cầu dùng nớc. Lợng nớc cần để lại trong sông gọi l dòng chảy cho phép tối thiểu, còn trong thủy vực nó đợc đặc trng bởi mực nớc cho phép tối thiểu. Do đó, sự cạn kiệt nớc - đó l sự hạ thấp đáng kể dòng chảy hay mực nớc cho phép tối thiểu do việc lấy nớc, dẫn tới sự phá vỡ cân bằng sinh thái v điều kiện nhu cầu dùng nớc. Trớc hết, sự cạn kiệt nớc có thể quan trắc đợc vo mùa ít nớc (mùa chuyển tiếp, mùa kiệt v mùa dòng chảy bé nhất) v sẽ rất đáng kể lm thay đổi căn bản chế độ v dòng chảy. Sự giảm đột ngột dòng chảy, v có thể còn lm ngừng nó vo mùa kiệt, diễn ra do sự can thiệp của con ngời m không tính trớc có thể gây ra tình hình trầm trọng nh ở các trạm nhiệt điện, để đảm bảo hoạt động của nó đòi hỏi phải đầy đủ một lợng nớc cần thiết no đó. Việc giảm đáng kể dòng chảy sông ngòi tự nhiên trong thời kỳ kiệt hay sự hạ thấp mực nớc hồ có thể xảy ra do việc xây dựng các công trình lấy nớc hay ao v hồ chứa đề tới v cấp nớc cunãg nh việc lấy nớc để chuyển dòng chảy. Trong tất cả . 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 1 72 209 24 9 29 4 318 343 Giá trị trung bình đại lợng tuyệt đối thnh phần. gió Bảng 4. 3. Giá trị k phụ thuộc vo hệ số Chezi C C 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 k.10 2 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. theo bảng 4. 3 hoặc theo toán đồ (Hình 4. 4); 2 - vận tốc gió trên độ cao 2 m trên mặt nớc, m/s; h - độ cao sóng 1 % đối với đoạn đang xét trong hệ thống sóng đã cho, m. Bảng 4 .2. Điều kiện