Разработка методов расчёта, проектирования и эксплуатации отстойников и систем инженерной защиты водных объектов от стока, образованного при таянии загрязнённого

На правах рукописи

Дёмина Ольга Николаевна

Разработка методов расчёта, проектирования

и эксплуатации отстойников и систем

инженерной защиты водных объектов от стока,

образованного при таянии загрязнённого снега

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертации на соискание учёной степени

кандидата технических наук

Специальность:

05.23.07 –Гидротехническое строительство

05.23.04 –Водоснабжение, канализация,

строительные системы охраны водных ресурсов

Москва, 2010

Работа выполнена в Федеральном государственном учреждении высшего профессионально образования Брянской государственной сельскохозяйственной академии на кафедре природообустройства и водопользования (ФГОУ ВПО БГСХА)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Василенков Валерий Фёдорович

Федеральное государственное учреждение высшего профессионально образования «Брянская государственная сельскохозяйственная академия»

(ФГОУ ВПО БГСХА)

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Ханов Нартмир Владимирович

ФГОУ ВПО Московский государственный университет природообустройства

кандидат технических наук, доцент

Ивченко Лариса Владимировна

ФГОУ ВПО Брянская государственная сельскохозяйственная академия

Ведущая организация: ГНУ Всероссийский Научно-исследовательский институт

гидротехники и мелиорации Россельхозакадемии

Защита диссертации состоится « » 2011 года в часов на заседании диссертационного совета Д220.045.02 при Федеральном государственное учреждении высшего профессионально образования Московского государственного университета природообустройства по адресу:127550 Москва, ул.Прянишникова, д.19, зал заседаний учёного совета (1 учебный корпус, ауд.201), тел./факс:8(495)976-10-46

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Федеральном государственное учреждении высшего профессионально образования Московского государственного университета природообустройства и на официальном сайте ФГОУ ВПО МГУП http://msuee.ru .

Автореферат разослан « » 20 года

Учёный секретарь

диссертационного совета Евдокимова И.М.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. В настоящее время вопросы охраны водных ресурсов от загрязнения приобретают исключительное значение в связи с усилением техногенного воздействия на окружающую природную среду, так как состояние природных вод находится в прямой зависимости от условий формирования городских стоков.

Относительная простота отстойных сооружений обусловливает их широкое применение для очистки сточных вод, однако расчёты по определению оптимальных параметров их конструкции не всегда обеспечивают максимальную экологическую безопасность поверхностных водоёмов при минимальных затратах на их строительство. Особенное значение должно уделяться отстойникам, принимающим поверхностный сток, образующийся с водосборных территорий промышленных площадок, временных снегосвалок, дорожных покрытий и обочин дорог, а так же с территорий, примыкающих к промышленным предприятиям.

Для снижения техногенной нагрузки на водные объекты от стока, образованного при таянии загрязнённого снега, необходимы следующие природоохранные мероприятия:

1.Осуществление оптимизации основных конструктивных параметров и работы горизонтального отстойника для осаждения тонких фракций стока, образованного при таянии загрязнённого снега, способного работать при различных режимах с максимальной эффективностью при обеспечении максимальной экологической безопасности водоёмов.

2. Создание строительной системы эффективного управления поверхностным стоком для осуществления максимально возможного осаждения взвешенных веществ в гидрографической сети, используя возможность самоочищения воды.

Работа выполнялась в соответствии с целевой государственной территориальной программой восстановления и охраны водных объектов по Брянской области. Она так же соответствует федеральной целевой комплексной научно-технической программе «Экологическая безопасность России» раздел 7 –«Приоритетные для России прикладные проблемы глобальной экологической безопасности» и раздела 10 –«Рациональное использование природных ресурсов». Цель исследования согласуется с задачей выполнения Россией международных обязательств, отражённых в «Конвенции о защите и использовании трансграничных водотоков и международных озёр». Тема исследований соответствует координационно-тематическому плану Брянской Государственной Сельскохозяйственной Академии (2007-2010 г.г.).

Цель исследований – Разработка методов расчёта и проектирования отстойников и систем инженерной защиты водных объектов от стока, образованного при таянии загрязнённого снега, способов повышения эффективности и условий надёжной эксплуатации горизонтальных отстойников на основе создания кинетических моделей и изучения факторов, определяющих максимальное осаждение наносов.

Для достижения поставленной цели потребовалось решение ряда задач:

1)Построить модель изменения объёма заиления горизонтального отстойника по длине.

Разработать рекомендации по определению оптимальной рабочей длины отстойника и объёма заиления, подлежащего изъятию.

2)Разработать рекомендации по оптимизации основных конструктивных параметров горизонтального отстойника.

3)Выявить факторы, определяющие максимальное осаждение наносов в отстойнике.

4)Построить и проверить экспериментально модель процесса осаждения цементной пыли в снежном покрове.

5)Построить модель изменения концентрации растворённого углекислого газа по длине водотока.

6)Разработать методику оценки эколого-экономической эффективности строительства системы эффективного управления отведением талого стока в водоём.

7)Разработать рекомендации и показать на примерах возможность использования кинетических моделей, полученных в ходе исследований, как инструмента проектирования и анализа функционирования очистных сооружений с целью повышения их производительности.

Методика исследований. Методической базой работы является метод математического моделирования, нашедший широкое применение в химии, физике, биохимии и клеточной биологии. В рамках этого подхода строятся и анализируются кинетические модели, которые представляют собой систему дифференциальных уравнений, содержащих большое количество параметров.

Оптимизация конструктивных параметров горизонтального отстойника и его работы в процессе эксплуатации осуществлялась с помощью метода неопределённых множителей Лагранжа, позволяющем свести задачу оптимизации с ограничениями к задаче, решаемой методами исследования функций классического анализа.

Адекватность расчётных результатов реальности проверяется сравнением с экспериментальными данными, полученными в ходе собственных полевых исследований, лабораторных анализов и результатами наблюдений других исследователей. Оценка результатов полевых опытов и расчётов осуществлялась в соответствии с правилами контроля качества воды водоёмов и водотоков, осуществляемых Общегосударственной службой наблюдения и контроля за загрязнённостью объектов природной среды (ОГСНК).

Все используемые приборы для полевых измерений имеют сертификат Государственного стандарта и занесены в Государственный Реестр средств измерений.

Научная новизна результатов исследований:

- построена модель заиления горизонтального отстойника;

-разработаны рекомендации по оптимизации основных конструктивных параметров горизонтального отстойника;

-выявлены факторы и предложены способы осуществления максимального осаждения наносов в отстойнике;

-построена кинетическая модель процесса осаждения цементной пыли в снежном покрове;

- построена модель изменения концентрации растворённого углекислого газа по длине водотока и даны рекомендации по его регулированию;

-разработана методика оценки эколого-экономической эффективности строительства системы эффективного управления отведением талого стока в водоём.

Практическая значимость работы и достоверность результатов.

Полученные кинетические модели могут найти применение в различных задачах очистки поверхностных сточных вод и охраны водных объектов: оценка возможного загрязнения природных вод; проектирование сооружений инженерной защиты водных объектов; прогнозирование объёма заиления горизонтальных отстойников; как инструмент анализа существующих сооружений.

В диссертации разработаны практические методы расчёта отстойников и систем инженерной защиты водных объектов Брянска и Брянской области:

Использование практических рекомендаций даёт экономический эффект в результате экономии материальных ресурсов при строительстве очистных сооружений и предотвращённого ущерба водным объектам.

Результаты расчётов апробированы на большом экспериментальном полевом материале; на экспериментальных данных, полученных другими исследователями в данной и других областях науки; модели базируются на основополагающих законах сохранения вещества.

Основные положения, защищаемые в работе:

-методы расчёта основных конструктивных параметров горизонтального отстойника;

-методы повышения производительности и управления работой отстойника в процессе эксплуатации;

-комплекс кинетических моделей процесса осаждения цементной пыли в снежном покрове, изменения концентрации растворённого углекислого газа по длине водотока, заиления горизонтального отстойника;

-методика оценки эколого-экономической эффективности строительства системы эффективного управления отведением талого стока в водоём.

Апробация работы. Результаты исследований по теме диссертационной работы докладывались и обсуждались на ежегодных научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава ФГОУ ВПО «Брянская Государственная Сельскохозяйственная Академия» (2007-2009). Автор участвовал с докладом в международных научно-технических конференциях «Проблемы энергетики, природопользования, экологии» г.Брянск (2008, 2009 г.г.), «Современные энерго- и ресурсосберегающие, экологически устойчивые технологии и системы сельскохозяйственного производства» г.Рязань (2009 г.). Автор принимал участие во Всероссийском молодежном конкурсе научных работ, посвященных тематике «Чистая вода» в номинации: «Управление качеством водных ресурсов при комплексном использовании водных объектов», в конкурсе на лучшую научную работу аспирантов и молодых учёных по естественным, техническим и гуманитарным наукам в вузах Брянской области «Современные научные достижения». Рекомендации по оптимизации основных конструктивных параметров горизонтального отстойника были изложены на заседании научно-технического совета ОАО «Брянскгипроводхоз»- одобрены и рекомендованы к внедрению. Выполненные исследования в установленном порядке рекомендованы к внедрению в строительство.

Структура и объём работы. Диссертация написана на русском языке, включает 179 страниц текста из 6 глав, список литературы из 143 наименований, 40 рисунков, 50 таблиц и 4 приложения.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы, определены цель и задачи исследований, отмечена её научная новизна и практическая значимость полученных результатов, приведена информация о структуре диссертации и апробация ряда результатов.

В первой главе дан анализ водоотведению поверхностного стока в городе Брянске и Брянской области, процессам загрязнения снежного покрова, представлена характеристика талого стока. Рассмотрены работы отечественных и зарубежных учёных по изучаемой проблеме: Василенко В.Н., Назаров И.М., Фридман Ш.Д., Янин Е.П., Сает Ю.Е., Ревич Б.А Климкова В.Ф. и др.

Анализ результатов проведенных ранее исследований показал, что уровень нагрузки химическими компонентами талого стока зависит от многих факторов и среди главных: уровень загрязнённости атмосферы, качественный и количественный состав аэрозолей, интенсивность, периодичность и продолжительность как количества осадков, выпадающих в холодное время года, так и непосредственно самого периода снеготаяния, площадь и характер покрытия водосборной территории. Основными загрязняющими компонентами талого стока, формирующегося на селитебных территориях, являются взвешенные вещества, нефтепродукты, хлориды, тяжёлые металлы (Дикаревский В.С. и др, 1990, Систер В.Г., Корецкий В.Е., 2004, Tone Merete Muthanna и др, 2007).

В промышленных районах формирование техногенных геохимических аномалий в снеговом покрове в значительной мере обусловлено поступлением и последующим осаждением именно промышленной пыли. Пылевой выброс предприятий характеризуется широкой ассоциацией элементов, коэффициенты концентрации которых, варьируясь, могут достигать очень высоких значений (Янин Е.П., 2000, 2005). Особенно интенсивно в пыли концентрируются тяжёлые металлы, накапливаясь в тонких фракциях (

Во второй главе дана характеристика природоохранных мероприятий, направленных на снижение антропогенной нагрузки на водные объекты и активизации процессов самоочищения воды.

Наиболее экономным способом утилизации вывозимого с магистралей города снега является его складирование с последующим естественным таянием. В этом случае строительство отстойника является необходимым условием организации отведения талого стока в водоёмы. Относительная простота отстойных сооружений обусловливает их широкое применение, однако расчёты по определению оптимальных параметров их конструкции не всегда обеспечивают максимальную экологическую безопасность поверхностных водоёмов при минимальных затратах на их строительство. Конструкция отстойника должна обеспечивать как можно более полное использование его объема (Розанов Н.П. и др, 1978) и осаждение частиц необходимого диаметра (Ибад-Заде Ю.А. и др, 1972).

Рядом авторов выявлена зависимость от рН воды скорости осаждения в ней частиц разных размеров и полноты гравитационного разделения по удельному весу дисперсий разной крупности (Абишев Д.Н и др.2007, Р.В. Мягкая 2001).

Долины временных и постоянных водотоков и водоёмов являются естественной системой, в которой происходят процессы самоочищения снеговой воды до поступления в водные объекты. В настоящее время в области изучения процессов самоочищения отечественными и зарубежными учёными выполнены разнообразные исследования. Изучение содержания растворённого углекислого газа имеет важное значение, так как он играет важную роль для протекающих в воде процессов (Латыпова В.З., 2000).

Третья глава посвящена методике экспериментальных исследований. Сделано: обоснование проводимых экспериментов, выбор объектов исследований, полевых и лабораторных методов, определение гидрологических и гидравлических параметров; проведение натурных исследований в разные года для детального определения коэффициентов моделей.

Лабораторные и аналитические работы по анализу проб осуществляли в Брянской ГСХА. Определение водородного показателя проводилось рН-метром фирмы «HANNA Instruments International» и портативным иономером фирмы «Аквилон» И-500. Отбор проб снега проводился снегомером, створы намечались по прямой линии в направлении преобладающих ветров. Гранулометрический состав загрязняющих веществ (ила, цементной пыли, продуктов разрушения асфальтового покрытия) определялся по методу Сабанина. Общая щелочность талой воды определялась в соответствии с ГОСТ Р 52963-2008. Исследования выполнялись по схеме математика Ляпунова А.А.: 1.Достаточно полное эмпирическое изучение процессов; 2.Разработка математической теории, на базе которой строятся модели; 3.Получение исходных эмпирических данных, необходимых для функционирования моделей. Производство расчётов на основе моделей и их сличение с реальностью, в случае необходимости - улучшение модели.

В четвёртой главе приведены результаты анализов экспериментальных исследований. Результаты исследования заиления существующих отстойников позволили построить математическую модель изменения объёма заиления горизонтального отстойника по длине.

Рис.1. Схематизация процесса заиления отстойника

Мутность потока в любом сечении изменяется во времени прямо пропорционально средней скорости потока в этом сечении: (1)

А скорость потока по мере заиления и мутность в любом сечении увеличиваются пропорционально слою заиления в данном сечении: (2)

Подставив выражение для скорости (2) в уравнение (1) получим: (3)

Тогда объём выходящих наносов в единицу времени:

.

где q2 – удельный расход воды на 1 п.м. во втором сечении (см. рис. 1);

m- плотность наносов в отложениях, h- слой воды во втором сечении.

Принимая линию заиленного дна в пределах длины осаждения в виде прямой линии, находим слой заиления на входе в отстойник из пропорции: ; . Тогда объём входящих наносов в единицу времени: ,

где hвх- постоянный слой воды на входе в отстойник.

Таким образом, объем заиления отстойника от входного створа 1-1 до рассматриваемого створа 2-2 (рис.1.) на 1м ширины отстойника за время dt выражается следующим уравнением материального баланса: (4)

где -коэффициент, характеризующий форму кривой заиления; dW- приращение слоя заиления в рассматриваемом сечении 2-2.

В уравнение баланса вводим обобщенные параметры: , ,

Как показывают ранее проведенные исследования разных природных явлений в разных средах, скорость торможения процесса прямо пропорциональна квадрату количества продукта: (5) Из условия прекращения поступления наносов во входной створ NW=0 можно найти

выражение для равновесной величины слоя заиления W: . (6)

Уравнение баланса для слоя заиления имеет вид:

, (7) ; для слоя воды: (8)