Полная математическая постановка задачи о качестве воды основана на системе уравнений гидродинамики и уравнений баланса различных примесей, наиболее общим видом, которого является дифференциальное уравнение турбулентной диффузии, выведенное В.И. Маккавеевым в 1931 году:
(1)
где:
(2)
Здесь S - концентрация растворенных или взвешенных веществ в воде, мг/м3 или г/м3; U - скорость равномерного падения взвешенных частиц в воде, м/с (для растворов U =0); - время, с; - компоненты скорости течения относительно координат , м/с.
Ось Х направлена по течению потока, ось Z - от поверхности к дну, ось Y - по ширине потока; Д - коэффициент турбулентной диффузии :
(3)
где А - коэффициент турбулентного обмена, кг/(м.с); - плотность воды, кг/м3.
Для условий установившегося процесса диффузии растворенных веществ, при отсутствии поперечной составляющей скорости течения уравнение (I) примет следующий вид:
(4)
Если рассматривать распространение загрязненных вод в одной какой-либо плоскости, например, горизонтальной, то уравнение диффузии запишется так (плоская задача):
|
|
(5)
Рассмотрение распределения загрязняющих веществ в горизонтальной плоскости может быть оправдано в случае, если по вертикали перемешивание осуществляется очень быстро и представляется интересным проследить за распространением загрязняющего вещества по ширине потока.
При расчете турбулентной диффузии в водоемах, характеризующихся весьма слабыми и неустойчивыми по направлению течениями, применяется метод, основанный на выведенном А.В. Караушевым уравнении турбулентной диффузии в цилиндрических координатах:
(6)
где - координата (радиус), выражающая расстояние от источника загрязнения, м; - время, с; - угол сектора, в который поступают загрязненные вод с расходом ; H - глубина водоема на участке поступления сточных вод, м. Уравнение (б) соответствует условию нахождения источника загрязнения с расходом в центре координат.
В случае, когда сброс сточных вод осуществляется через гидротехнические сооружения, обеспечивающие кинематические различия загрязняющей струи и окружающих водных масс, необходимо учитывать процесс начального разбавления, обусловленный
указанной кинематической неоднородностью, имеющей место на
небольшом расстоянии от места выпуска, вопросы начального
расчета разбавления рассмотрены в работе Н.Н. Лапшева. Используемая зависимость для определения кратности начального разбавления имеет вид
(7)
где: ; - диаметр сечения оголовка выпуска;
- диаметр загрязненной струи в расчетном сечении; - отношение средней; скорости течения в потоке к скорости истечения сточных вод.
|
|
Анализ степени применимости моделей качества воды показал, что имеется два вида ошибок: первые вызваны математическим абстрагированием от природного процесса, вторые связаны с недостаточный количеством учитываемых параметров.