Những đại lượng thủy văn yếu tố thủy lực cần thiết để tính toán pha loãng nước thải Những đại lượng thủy văn yếu tố thủy lực cần thiết để tính toán pha loãng nước thải Bởi: PGS TS NGƯT Phạm Văn Huấn Xác định đặc trưng dòng cần thiết để tính toán pha loãng nước thải Khi tính toán xáo trộn rối sông ngòi trước tiên cần phải có lưu lượng nước tính toán Hiện lưu lượng nước tính toán thường lấy lưu lượng nước cực tiểu, suất đảm bảo 95 % Với diện số liệu quan trắc nhiều năm nhận tính toán, lưu lượng nước cực tiểu quan trắc Phụ thuộc vào toán đặt mà định lưu lượng nước tính toán khác đạt lưu lượng nước suất đảm bảo bé chí 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 tính toán hệ số Chezi C (m1/2/s) Các thành phần vận tốc ngang chỗ xoáy dòng chảy sông vz (m/s), giá trị hệ số khuếch tán rối D (m2/s) Với diện độ dốc đo đạc, hệ số Chezi C tính theo công thức Chezi: C= v √Hi (4.1) số liệu độ dốc - theo công thức biết Manning, chứa hệ số độ nhám hay theo công thức Stricler - Manning ( Hd' ) C = 33 1/2 (4.2) 1/10 Những đại lượng thủy văn yếu tố thủy lực cần thiết để tính toán pha loãng nước thải với d' - đường kính hiệu dụng phần tử trầm tích đáy (mm); điều kiện sông ngòi xác định giá trị 50 % độ lớn phần tử theo đường cong thành phần hạt; công thức (4.2) thể dạng toán đồ (Hình 4.1) Hệ số khuếch tán rối tham số tính toán xáo trộn dòng, tính theo công thức: D= gHv mC (4.3) với v - giá trị vận tốc trung bình đoạn lan truyền chất ô nhiễm, m/s; H - độ sâu trung bình đoạn tính toán, m; g - gia tốc rơi tự do, g = 9,81 m/s; đại lượng m hàm hệ số Chezi C giới hạn 10 ≤ C ≤ 60 quan hệ với C mối phụ thuộc: m = 0,7 C + (4.4) với C > 60, m = const = 48 Vai trò quan trọng trình pha loãng nước thải sông ngòi dòng chảy ngang Sự diện thành phần vận tốc vz tức hoàn lưu nội dòng, dẫn tới tăng cường trình xáo trộn cần phải tính đến tính toán Khi sử dụng phương pháp chi tiết (Besxhaia, Orlov, 1983; Co sở phương pháp đánh giá , 1987) ảnh hưởng vz tính trực tiếp, phương pháp tổ hợp tính toán hoàn lưu ngang thực cách dẫn thừa số hiệu chỉnh k (lớn 1) vào hệ số khuếch tán rối D Đại lượng k hàm hệ thức (vz + ω)/ω với vz - giá trị trung bình đại lượng tuyệt đối vận tốc thành phần theo thủy trực; ω - giá trị trung bình đại lượng tuyệt đối thành phần ngang nhiễu động vận tốc 2/10 Những đại lượng thủy văn yếu tố thủy lực cần thiết để tính toán pha loãng nước thải Hình 4.1 Toán đồ C = f( Hd' ) Để tính vz, đề xuất công thức: H vz = 0,13N r vx (4.5) nhận tích phân công thức A V Karausev (1960) dẫn hệ số hiệu chỉnh, 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 toàn đoạn xem xét; vx - giá trị trung bình thành phần vận tốc dọc; r - bán kính đoạn cong lòng sông coi đoạn sông nằm thấp chỗ đổ nước thải bao goòm - xoáy Tham số N - số đặc trưng vô thứ nguyên dòng rối, xác định số: N= mC g (4.6) Để xác định N quan hệ C m sử dụng bảng 4.1 Bảng 4.1 Giá trị m N phụ thuộc vào c 3/10 Những đại lượng thủy văn yếu tố thủy lực cần thiết để tính toán pha loãng nước thải c 10 15 20 25 30 m 13 16,5 20,5 23,5 27 35 40 30,5 34 45 50 37,5 41 55 60 65 70 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 vận tốc tức thời (ω) xác định theo công thức ω= vx √N (4.7) Ngoài hoàn lưu ngang dòng ảnh hưởng lớn lên cường độ trình xáo trộn phân bố không đồng độ sâu đoạn xét Nguyên nhân tính toán pha loãng điều kiện toán hai chiều tính toán 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 không cho phép tính đến đặc điểm lòng sông tự nhiên, gồm đoạn sâu nông xen kẽ (gò vực) Tính biến động độ sâu theo dọc sông đoạn xét tăng cường tính bất đồng động học dòng nhân tố tạo rối khối nước Tính đến nhân tố thực cách đưa thêm hệ số kA vào hệ số khuếch tán rối D Hình 4.2.Toán đồ k' = f [( ),θ] vz + ω ω Xác định phụ thuộc đại lượng kA từ tỷ số 4/10 Những đại lượng thủy văn yếu tố thủy lực cần thiết để tính toán pha loãng nước thải Hmax − H H =θ với Hmax - độ sâu cực đại từ cức độ sâu trung bình đoạn xét, m Để xác định định lượng hệ số k, kA cho đồ thị (Hình 4.2) k' = k + kA kA = f ( vz + ω ω ; Hmax − H H ) Để tính hai nhân tố nêu - hoàn lưu ngang tính biến động độ sâu đoạn sông xét - hệ số khuếch tán rối nhân với đại lượng k': Ds = Dk' (4.8) với Ds - hệ số khuếch tán rối hiệu chỉnh.đặc trưng tổng điều kiện xáo trộn dòng chảy sông ngòi Xác định đặc trưng khí tượng thủy lực thủy vực cần thiết để tính toán pha loãng nước thải Trong hồ hồ chứa ảnh hưởng mạnh đến trình xáo trộn hoạt động gió, đánh giá xáo trộn nước thải cần thiết để tiến hành tính toán dòng chảy gió, tính đến tính biến động đại lượng thủy văn yếu tố thủy lực Tính biến động yếu tố thủy lực chịu ảnh hưởng dao động đặc trưng gió thủy vực Các điều kiện đặc trưng pha loãng với vậntốc gió suất đảm bảo khác cho hình 4.2 Độ lặp lại vậntốc gió khác độ cao 10 m mặt đất cho “Cẩm nang khí hậu Liên Xô“ Chuyển đổi mặt nước thực theo đồ thị A S Braslavski (Hình 4.3) để chuyển đổi gió độ cao m mặt nước ta bổ sung hệ số k = 0,85 Số liệu vậntốc gió sử dụng đểtính toán vận tốc dòng chảy gió nhờ xấp xỉ quan hệdạng: v = kω2√3 + 10h, (4.9) 5/10 Những đại lượng thủy văn yếu tố thủy lực cần thiết để tính toán pha loãng nước thải Hình 4.3.Đồ thị quan hệ vậntốc gió nước độ cao cột chuẩn v 10 m trạm khí tượng v' mặt đất với k - hệ số phụ thuộc vào hệ số Chezi C xác định theo bảng 4.3 theo toán đồ (Hình 4.4); ω2 - vậntốc gió độ cao m mặt nước, m/s; h - độ cao sóng % đoạn xét hệ thống sóng cho, m Bảng 4.2 Điều kiện xáo trộn thủy vực với vậntốc gió suất đảm bảo khác Điều kiệnxáo trộn Suất đảm bảo vậntốc gió P % Thuận lợi Trung bình 50 Không thuận lợi 90 6/10 Những đại lượng thủy văn yếu tố thủy lực cần thiết để tính toán pha loãng nước thải 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) theo toán đồ (Hình 4.4), đường kính hiệu dụng d' điều kiệnhồ hồ chứa xác định theo đường cong tích phân thành phần hạt đường kính giới hạn 10 % phần tử lớn Hệ số khuếch tán rối với sóng gió yếu tính theo quan hệ (4.3) Khi diện sóngrối khối nước tăng cần tính đến công thức tính toán hệ số khuếch tán rối, đặc trưng tổng cộng hiệu dòng chảy vận chuyển chuyển động sóng khối nước Trong trường hợp để tính toán hệ số khuếch tán rối có dạng sau: D= (ch+πv'H)d'1 / bH1 / (4.10) với c - vậntốc pha sóng, m/s; v' - giá trị đại lượng vậntốc tải trung bình theo thủy trực, m/s; b - hệ số thực nghiệm nhận 700; π = 3,14; d' - công thức lấy đơn vị m, H - độ sâu trung bình thủy vực đoạn, m Công thức (4.10) dùng cho độ sâu nhỏ 60 m Vận tốc pha sóng với H > 0,5 L tìm theo công thức: c= √ gL2π (4.11) 7/10 Những đại lượng thủy văn yếu tố thủy lực cần thiết để tính toán pha loãng nước thải H < 0,5 L theo công thức c = √g(H + h) (4.12) Trong quan hệ (4.11) (4.12) L - bước sóng, m; h - độ cao sóng % vùng đó, m Do vậntốc dòng chảy gió thay đổi theo thời gian với thay đổi vậntốc gió, lần xấp xỉ coi đặc trưng phụ thuộc vào vậntốc gió (vậntốc dòng chảy gió, hệ số khuếch tán rối) có suất đảm bảo nhân tố định chúng Và điều cho phép thực tính toán pha loãng với số liệusuất đảm bảo đặc trưng nguồn, nhận suất đảm bảo vùng tính toán ô nhiễm Các ví dụ thực tế tính toán ô nhiễm đối tượng nước xem xét chi tiết giáo trình (Besxenaia, Orlov, 1983; Orlov, 1988) Xác định lượng nước thải cho phép Bên cạnh thành phần hóa học nước thải đặc trưng quan trọng lượng nước thải, xâm nhập từ sông suối thủy vực đơn vị thời gian Phụ thuộc vào tỷ lệ lưu lượng nước thải sông suối thể tích thủy vực có tính đến thành phần hóa học nước thải cường độ trình pha loãng (và tự làm sạch, trình biểu rõ) đối tượng nước đổ lượng nước thải khác thời gian Lưu lượng nước thải cho phép tới hạn đổ vào sông suối vào pha dòng chảy nhiềuvà phụ thuộc vào việc có bảo toàn số chất lượng nước hay không giới hạn chuẩn cho phép Tương ứng với “Nguyên tắc bảo vệ nước mặt khỏi ô nhiễm nước thải" (1975) tính đến 11 số thành phần tính chất nước sông thủy vực sử dụng cho nhu cầu dùng nước uống công cộng, chúng có đại lượng giới hạn.Khi đổ nước bị ô nhiễm số khôngnhất thiết bị phá vỡ Do tiêu chất lượng nước xác định lưu lượng nước cho phép tới hạn đổ vào dòng nước (hay thủy vực) cần tập trung sử dụng - hai số tới hạn biểu diễn định lượng Tất nhiên có mặt chất độc hại cần tính đến nồng độ tới hạn cho phép chúng (trong “Các nguyên tắc ” rõ PDK 420 chất) Khi thực việc tẩy sinh học hay lý hóa học nước thải công nghiệp hay dịch vụ công cộng số tới hạn chất lượng nước gồm hàm lượng ôxy hoà tan vag nhu cầu sinh hóa đầy đủ nước oxy (BPK) Các tiêu sở để P Đ Gatilo (1969) soạn thảo phương pháp xác định khả để đổ lượng nước (đối với điều kiện Bạch Nga), mà dạng tính toánổng quát thể dạng sau đây: 8/10 Những đại lượng thủy văn yếu tố thủy lực cần thiết để tính toán pha loãng nước thải d (Qn + − ∑n1 Q1i+∑n1 Q2i)(Ld − Lp) − ∑n1 − Qtn(mriLti − Lalignl ) Qtn ≤ [] (mrnLtin − Ld) − (4.13) với Qtn - Tuyến đon định đổ lưu lượng nướcthải ô nhiễm, m3/s;Qn+1 - lln sông tuyến đo tính toán n + 1, nằm tuyến đổ n (tuyến đo tính toán người có nhu cầu dùng nước), hay tuyến đổ (n) không tính đến nước đổ; Q1i - lưu lượng nước lấy từ sông để cấp nước, tưới đoạn nằm (i - số thứ tự tuyến đo từ xuống theo chiều dòng chảy có tính đêna nhập lưu); Q2 - lưu lượng nước đổ nước thải tương đối sạch; Qti - lưu lượng nước thải tuyến đo nằm tuyến đo n; L, Lp Ld - BPK tương ứng nước thải không ô nhiễm sông ngòi giới hạn cho phép tuyến đo tính toán sông gO2/m3; m - hệ số tính đến xâm nhập nước thải từ lãnh thổ thành phố; r - hệ số phụ thuộc vào trình tự nhiên axit sinh hóa củanước thải đoạn đổ đến tuyến đo tính toán xác định theo phương trình ri = 10 − Ktτ, với τ - thời gian nước từ tuyến đổ nước thải đến tuyến tính toán K - sốvậntốc axit sinh hóa với nhiệt độ nước oC, xác định theo quan hệ phụ thuộc vào số nhiệt độ nước 20 oC theo phương trình Kt = K.1,047t − 20 Nồng độ trung bình ôxy hoà tan nước xác định theo phương trình P Đ Gatillo (1969) đề xuất, tương tự nó: Cn + = [C(Qn + − ∑n1 Q1i + ∑n1 Q2i) + ∑n1 CtiQti − ∑ QtiLti(1 − ri)](Qn + − ∑ Q1i + ∑ Q2i + ∑ Qt) n n n n (4.14) với C, Cti - nồng độ ôxy hoà tan tương ứng nước sông nước thải xử lý, gO2/m3; ri - hệ số triết giảm ô nhiễm đoạn từ nơi đổ nước thải đến tuyến đo tính toán; Lti (1- ri)- nhu cầu dùng ôxy riêng (trên m3 nước thải giây) trình axit hóa ô nhiễm nước thải đổ vào gO2/m3 Sự ý lớn dành cho việc đánh giá nồng độ ôxy hoà tan cần tách khỏi thời kỳ băng tích vào mùa hè, nhiệt độ nước vượt 20 oC Các tính toán nêu tiến hành áp dụng cho lưu lượng nướcmùa đông cực tiểu 30 ngày hè thu Trong trường hợp đặc biệt, lưu lượng nước thay lln tuần tẳng lln cực tiểu trung bình ngày phụ thuộc vào độ yêu cầu đối 9/10 Những đại lượng thủy văn yếu tố thủy lực cần thiết để tính toán pha loãng nước thải tượng nước Trong trường hợp vượt lượng nước đổ định so với tải trọng tới hạn cho phép nước thải sông suốitiến hành tính lại giá trị đổ lượng dư chuyển sang nơi tích luỹ đạc biệt để đổ lần sau giai đoạn có lũ lụt, thoả mãn tỷ lệ nêutrên Như nói đây, lượng nước thải chừng mực phụ thuộc vào lưu lượng nước sông, xác định khả pha loãng Cho nên ảnh hưởng lớn tới chất lượng nước sông hồ đáng kể theo mức độ tích nước để đảm bảo nhu cầu dùng nước công nghiệp dịch vụ công cộng thành phố điểm dân cư, để thoả mãn nhu cầu kinh tế nông nghiệp, đặc biệt tưới Việc tập trung nước tích cực dẫn tới thay đổi đáng kể trình sinh hóa diễn nó, ảnh hưởng tới chế độ nhiệt độ, gây nên tải sông (hoặc hồ) nước thải Cho nên tiến hành tích nước từ đối tượng nước cần để lại lưu lượng nước xác định (hay thể tích) đáp ứng tiêu chuẩn vệ sinh 10/10 ... liệu vậntốc gió sử dụng đ tính toán vận tốc dòng chảy gió nhờ xấp xỉ quan hệdạng: v = kω2√3 + 10h, (4.9) 5/10 Những đại lượng thủy văn yếu tố thủy lực cần thiết để tính toán pha loãng nước thải. .. định khả để đổ lượng nước (đối với điều kiện Bạch Nga), mà dạng tính toán ng quát thể dạng sau đây: 8/10 Những đại lượng thủy văn yếu tố thủy lực cần thiết để tính toán pha loãng nước thải d (Qn... tán rối D Hình 4.2 .Toán đồ k' = f [( ),θ] vz + ω ω Xác định phụ thuộc đại lượng kA từ tỷ số 4/10 Những đại lượng thủy văn yếu tố thủy lực cần thiết để tính toán pha loãng nước thải Hmax − H H =θ