Модель распространения взвешенных веществ

§ 5.2.МОДЕЛЬ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ВЗВЕШЕННЫХ ВЕЩЕСТВ
НА ЛОКАЛЬНОМ УЧАСТКЕ РЕКИ АНГАРЫ ВБЛИЗИ
ВОДОЗАБОРА ГОРОДА АНГАРСКА
Модели, подобные описанной в предыдущем параграфе, дают возможность оценить общее экологическое состояние реки на достаточно
большой ее протяженности. Но они не позволяют детализировать поперечную или вертикальную структуру поля загрязнения. Однако часто возникают задачи, требующие более подробного описания пространственновременной динамики загрязнения воды, но в существенно меньших пространственных областях и на более коротких отрезках времени. Такие задачи часто связаны с экологической экспертизой проектов, при которой
нормативными актами для реки определен контрольный створ на расстоянии в 500 м от источника загрязнения. Характерная ширина многих рек
имеет тот же масштаб. Следовательно, по пространственным координатам
модель в подобных задачах должна быть, по крайней мере, двумерной, а,
если для моделируемых процессов принципиальной является их вертикальная структура, то и трехмерной.
Информационная емкость таких моделей достаточно велика, поэтому
их построение требует привлечения большого количества данных как в
форме теоретических законов и данных измерений, так и в форме экспертных оценок и допущений. Совместный учет этих данных обусловливает
необходимость применения различных методов для формулировки модельных ограничений. Громоздкость модели вынуждает при программировании ее компьютерного варианта следить за экономичностью алгоритмов,
реализующих необходимые расчеты.
Из сказанного вытекает, что построение моделей указанного уровня
сложности, в подавляющем большинстве случаев, представляет собой операцию, требующую оригинального подхода к проблеме. В рамках данного
параграфа рассматривается пример построения такой модели. Она была
разработана для практического решения задач, связанных с оценкой характеристик ожидаемого загрязнения воды при строительстве перехода трубопровода через реку Ангару [Оценка воздействия ..., 1995]. Этот пример
хорошо демонстрирует спектр проблем, возникающих в задачах подобного
рода. Он также иллюстрирует методические приемы, которые могут быть
применены для их разрешения.
188
5.2.1. Описание модели
Участок, выбранный для моделирования. Схема участка реки, для
которого необходимо провести моделирование распространения примеси,
показана на рис. 5.2.1. Критической точкой, особо чувствительной к изменению качества воды в данной задаче является водозабор города Ангарска.
Водозабор расположен в протоке Еловой, которая ответвляется от основного русла в нескольких километрах ниже перехода трубопровода. Прикидочные расчеты показывают, что при прокладке трубопровода в контрольном 500 метровом створе экологические нормативы допустимого воздействия по взвешенным веществам могут быть превышены, но это превышение сравнимо с фоновой изменчивостью мутности. Поэтому встает вопрос
более детального анализа ситуации. В данной задаче в качестве дополнительного контрольного створа выбран вход в протоку Еловую. Увеличение
мутности воды, вызываемое подводными земляными работами, на этом
входе и далее в зоне водозабора г.Ангарска очень сильно зависит от места
нахождения источника загрязнения и от скорости оседания взвеси на дно
реки. Потребность в разработке трехмерной модели и в данном случае
обусловлена необходимостью учета переноса примеси в направлениях ортогональных течению реки. Эти процессы в данном случае существенно
влияют на формирование пространственного распределения концентрации
взвешенных веществ.
Рис.5.2.1. Схема участка реки Ангары, выбранная для моделирования распространения
взвешенных веществ, поступающих в воду при выполнении подводных земляных работ по строительству перехода трубопровода.
189
Возможные подходы к расчету динамики концентраций. Обзор
методов расчета динамики концентраций растворенных и взвешенных веществ в естественных водоемах и водотоках [Методические основы ...,
1987] показывает, что, в соответствии с современными теоретическими
представлениями, возможным подходом к поставленной проблеме является последовательное решение следующих задач. Сначала формулируется
система уравнений гидродинамики (типа уравнений Навье - Стокса [Седов,
1973]), из которой находится оценка скоростного поля. Далее, на основе
использования теории турбулентности определяются коэффициенты обмена. Затем анализируются процессы осаждения или всплывания частичек
взвеси. И, наконец, решается трехмерное нестационарное уравнение диффузии общего вида [Тихонов, Самарский, 1977]. При необходимости рассматриваются процессы образования пленок и их испарения с поверхности
водоема, а также процессы удержания частиц на дне водоема. Учет этих
процессов позволяет более обоснованно сформулировать граничные условия задачи. Полный цикл работ по описанной схеме требует большого количества времени и материальных затрат.
Практически более приемлемыми и не менее обоснованными с точки
зрения информационного подхода являются полуэмпирические схемы, в
рамках которых часть перечисленных переменных модели задается по материалам прямых измерений или другим косвенным сведениям. Например,
в качестве входных данных задаются осредненная и пульсационная компоненты скоростного поля, распределение глубин на области расчетов и
характеристики источника загрязнения. Выходной характеристикой будет
пространственно-временная динамика приращения концентрации взвешенных веществ, поступающих в воду от заданного источника, для расчета которой необходимо построить модель, основывающуюся на законах
сохранения, переноса и трансформации вещества. Одним из вариантов такой модели является упомянутое выше трехмерное нестационарное неоднородное уравнение диффузии общего вида. Для его интегрирования
обычно применяются приближенные методы. Распространены два основных приема - численное интегрирование (или метод разностных схем)
[Самарский, 1983] и статистические испытания (или метод Монте-Карло)
[Галкин, 1975]. Для расчета динамики загрязнения выберем метод МонтеКарло. Он более экономичен для трехмерной задачи в сравнении с численным интегрированием. Кроме того, он позволяет откорректировать модель
диффузии, задаваемой параболическим уравнением, за счет более правильного задания спектра пульсационных скоростей.
190
Оценка распределения глубин производится по данным, считанным
с лоции с шагом 50 метров в направлении с востока на запад (в основном
вдоль реки) и с шагом 25 метров с юга на север (в основном поперек реки).
При задании расхода реки Ангары отличного от расхода, для которого
оценено распределение глубин по лоции, последнее корректируется по
формуле связи «уровень-расход».
Средние скорости течений. Для их задания в модели используются:
измерения вертикального профиля модуля средней скорости, на трех створах; оценки направления течения, заданные на хаотически расположенном
множестве точек; данные о положении береговой линии (включая острова), снятые с карты масштаба 1:10000 (берега считаются вертикальными).
Для задания скоростного поля сначала выполняется интерполяция по авторскому алгоритму [Игнатов, Старыгин, 1991; Игнатов, 2000] значений
модуля и направления скорости, измеренных в отдельных точках, на всю
область решения. Далее интеполированные величины корректируются по
условиям непрерывности расхода реки и параллельности направления
движения воды в точках сеточной области, расположенных в непосредственной близости от берега, ближайшему от них отрезку береговой линии. Зависимость скорости течения от расхода во внимание не принимается.
Вертикальные скорости оседания взвешенных частиц. Вертикальная составляющая средней скорости движения воды на рассматриваемом
речном участке полагается равной нулю. Направленное вертикальное движение взвеси обусловливается ее оседанием в воде. Одним из основных
достаточно вариабельных параметров, определяющих скорость оседания
частицы грунта, является ее размер. В табл. 5.2.1 приведена зависимость
[Временные указания ..., 1986], связывающая размеры частиц и скорость
их равномерного оседания в воде (гидравлическую крупность).
Данные с более детальной дифференциацией частиц по размерам, в
интервале от 1 мм до 0,2 мм, получены в экспериментальных исследованиях Б.В.Архангельского [Гришанин, 1972] и приведены в табл. 5.2.2
Оценку зависимости скорости оседания от размера частиц, при их
диаметре менее 0.2-0.1 мм и более 2 мм, можно также получить из теоретических соображений, приравнивая силу веса (P=C0*D 3) силе сопротивления движению частицы. Сила определяется по формулам:
F=C1*D 2*V - при ламинарном (число Рейнольдса меньше двух);
F=C2*D 2*V 2 – при развитом турбулентном (число Рейнольдса больше
трехсот) характере обтекания оседающих частиц,
191
где V и D - скорость и диаметр частицы, C0, C1, C3 – константы.
Таблица 5.2.1
Данные о гидравлической крупности частиц грунта
Диаметр частиц
D, (мм)
max
2
min
1
Средняя скорость оседания
V, (мм/с)
166
1
0.5
0.25
0.1
0.5 0.25
0.1
0.05 0.005
94
10
1.2
42
0.05
0.19
0.005
0
0.009
Таблица 5.2.2
Скорости оседания частиц в воде по Б.В.Архангельскому
Диаметр частиц, мм
Температура воды,
1
0.75
0.5
0.4
0.3
0.2
Скорость оседания частиц (мм/сек)
5 оС
102
77
48
37
25
13
10 оС
106
81
53
46
32
17
Общий вид принятой в дальнейших расчетах зависимости средней
скорости оседания частиц от их характерного размера, с учетом эмпирических и теоретических оценок, приведен на рис. 5.2.2. Зависимость, показанная на этом графике, хорошо согласуется также с данными, приведенными в таблицах, но охватывает больший диапазон изменения размеров
частиц по сравнению с ними.
Рис. 5.2.2. Зависимость средней
скорости оседания частиц (V,
мм/с) от их размера (D, мм), построенная по совокупности эмпирических и теоретических оценок.
Горизонтальная дисперсия. Оценка характерного масштаба флуктуаций поверхностной скорости выполнялась путем прямых измерений. Коэффициенты диффузии определялись путем обработки данных наблюде192
ний неоднородности скоростного поля по формулам, рекомендуемым
А.В.Караушевым [Методические основы ...,1987]. Для этого были использованы их зависимости от средней скорости течения, глубины, шероховатости дна. Также принимались во внимание оценки компонент коэффициента дисперсии, полученные в других работах, связанных с расчетом распространения примесей в реках с близким к Ангаре гидрологическим режимом [Судаков, Хаустов, 1987]. Полученные оценки коэффициентов дисперсии учитывались при задании параметров пульсационных скоростей
при расчетах на имитационной модели.
Вертикальная турбулентность. Скорость оседания частиц в воде
определяет осредненную компоненту полной скорости вертикального перемещения частиц в воде. Вертикальная пульсационная компонента формируется, главным образом, процессами турбулентности. Именно за счет
вертикальной диффузии возникает направленный вверх поток взвешенных
частиц, задерживающий их полный вывод из толщи воды и обеспечивающий вторичное поступление в нее из придонного слоя ранее осевших частиц. Вторичное поступление в толщу воды первично осевших взвешенных веществ может заметно повлиять на характер динамики мутности воды. В связи с этим, процессы вертикальной диффузии взвеси в придонном
слое, при построении расчетной схемы, должны быть проработаны особенно тщательно. Это определяет целесообразность использования не плановой (двумерной), а объемной (трехмерной) модели.
Принципиальное значение для расчета поля мутности имеет распределение по глубине вертикальной компоненты случайной скорости или соответствующей компоненты коэффициента диффузии. Теоретические и
экспериментальные исследования этой зависимости [Гришанин, 1972;
Гришин, 1982, Методические основы ..., 1987] позволяют выделить два
существенно различных ее участка. На первом (придонном) участке дисперсия пульсационной компоненты, пропорциональная коэффициенту
диффузии, резко возрастает от нуля на дне до максимума на высоте примерно 0.1-0.2 глубины места над дном. На втором участке дисперсия этой
компоненты слабо уменьшается от названного максимума до локального
минимума на свободной поверхности потока. Примерный график вертикальной структуры отношения стандартного отклонения вертикальной
пульсационной скорости (v') к динамической скорости потока (V*), вычисляемой как корень квадратный из произведения ускорения свободного падения на глубину и уклон, приведен на рис.5.2.3
Кроме описанной выше мелкомасштабной вертикальной турбулентности, возникающей, главным образом, за счет взаимодействия потока и
193
дна в толще реки также присутствуют вихри с масштабом порядка глубины потока, повторяющиеся примерно через 20-40 глубин места [Гришанин,
1972]. Такие вихри производят быстрое перемешивание по вертикали воды
и взвешенных в ней частичек грунта, но частота их появления в реке существенно меньше соответствующей частоты мелкомасштабных вихрей.
При расчетах поля мутности методом Монте-Карло распределение
вихрей по их масштабам легко учитывается путем соответствующего задания функции распределения пульсационной компоненты. Такая возможность представляет собой еще одно преимущество этого метода, так как
она позволяет уточнить физическую постановку задачи и сделать модель
более адекватной моделируемому процессу.
Рис. 5.2.3. Распределение вертикальной составляющей пульсационной скорости (v’) по глубине потока
(z – расстояние от дна, h - глубина
места, V* - динамическая скорость).
Фоновое загрязнение воды
взвешенными веществами. Нормы допустимого воздействия [Перечень
ПДК ..., 1995] разрешают превышение в контрольном створе концентрации
взвешенных веществ над фоном на величину 0,25 или 0,75 г/м3 в зависимости от типа водоема. В связи с этим полезно, в рамках данной задачи, более детально оценить естественную изменчивость этого параметра для того, чтобы иметь возможность более адекватно оценить степень опасности
ожидаемого воздействия на окружающую среду при реализации проекта.
Фоновые концентрации взвешенных веществ определяются по материалам
режимных наблюдений за качеством воды в реке Ангаре. Такие наблюдения выполнялись различными организациями и могут быть взяты в качестве сравнительных данных при оценке дополнительного антропогенного
взмучивания воды при прокладке трубопровода.
Практически прозрачная вода озера Байкал, содержащая 0.5-1.0 мг/л
взвешенных веществ, при достижении ею створа планируемого перехода
через р.Ангару обогащается частичками примесей, увеличивая их концентрацию в 10 и более раз. Поступление взвеси в воду связано с волновым
размывом прибрежной зоны и берегов Иркутского водохранилища, ливне-
194
вым смывом с поверхности почвы, сбросами города Иркутска, впадением в
реку достаточно мутных вод притоков Ангары, главным образом реки Иркут, и т.д.
В табл. 5.2.3 и приведены данные [База данных «Чистая Ангара»...]
многолетних наблюдений (по взвешенным веществам) Иркутской
санэпидемстанции за качеством воды в районе водозабора города Ангарска
- главной критической точки контроля качества влияния на него строительства подводного перехода трубопровода через реку Ангару. А на рис.
5.2.4 показаны оценки, полученные органами Гидрометеослужбы, концентраций взвешенных веществ в реке Ангаре в двенадцати контрольных точках, расположенных, как выше, так и ниже по течению от места перехода.
Таблица 5.2.3
Сезонная динамика концентраций взвешенных веществ в створе
водозабора г.Ангарска, ст.Суховская (по материалам Иркутской СЭС)
Год
1978
1979
1980
1981
1982
1984
1985
1986
Среднее
Зима
11.3
3.5
12.0
3.1
1.7
0.6
3.1
2.5
4.7
Концентрация (мг/л)
Весна
Лето
Осень
9.1
12.9
14.3
6.9
4.5
6.5
18.4
4.9
7.2
1.8
6.1
2.1
2.1
3.3
2.5
4.0
3.0
2.6
6.1
3.2
1.0
0.6
5.0
0.5
6.1
5.4
4.6
Сравнение данных из разных источников, относящихся к одним и тем
же участкам реки Ангары и к одним и тем же интервалам времени, обнаруживает смещение в полтора-два раза в большую сторону концентраций
взвешенных веществ в оценках Гидрометеослужбы по сравнению с оценками СЭС. Не имея серьезных оснований отдавать большее предпочтение
одной из этих групп данных (хотя по характеру сезонного хода данные
Гидрометеослужбы выглядят более правдоподобными), будем считать истинные фоновые концентрации лежащими примерно в интервале между
этими двумя оценками. В весенне-летний период наибольшей мутности
этот интервал будет составлять от 5 до 25 мг/л, в остальное время года - от
2 до 10 мг/л, с минимумом в зимний период, составляющим 1-4 мг/л взве-
195
шенных веществ в воде реки Ангары в районе планируемого перехода и
водозабора города Ангарска. Таким образом, приведенные материалы о
фоновых концентрациях взвешенных веществ являются отправным ориентиром для оценки степени влияния подводных земляных работ на качество
воды по параметру ее мутности.
Рис. 5.2.4 Сезонный ход фоновой концентрации взвешенных веществ (С) в 1985
году в р. Ангаре по данным Иркутского УГМС.
(а – посты выше створа перехода, б – посты ниже створа перехода).
Параметры вероятного источника загрязнения. Поступление взвеси в воду при земляных работах может быть ориентировочно оценено путем анализа процессов выемки грунта из траншеи и засыпки ее после
укладки труб. Мощность и пространственное распределение источников
загрязнения воды взвешенными веществами определяется режимом земляных работ. В соответствии с проектом, при укладке трубопровода предполагается выкопать две траншеи диной 680 м. Они будут иметь трапециидальное сечение с глубиной 4-5 м и шириной от 10 м, в нижней части, и
до 15-17 м - в верхней. Работы по вскрытию траншей планируется выполнить за период длительностью около 4 месяцев. После укладки трубопровода производится засыпка траншей в течение одного месяца грунтом, извлеченным из траншей и временно складируемым на мелководье. Выкапывание траншей под трубопровод осуществляется роторным земснарядом
БС-201 с 35 черпаками по 400 л каждый. Максимальная скорость вращения
196
ротора позволяет поднять 18 черпаков в минуту, что при идеальных условиях обеспечивает максимальную производительность до 430 м3 грунта в
час. Реально же удается достигать производительности земснаряда до 275
м3/час. Суточная же производительность, с учетом невозможности непрерывной работы в экстремальном режиме, составляет 2500-3000 кубических
метров грунта. Изъятый из траншей грунт грузится на шаланды вместимостью 100 м3 и сбрасывается в выбранном месте на мелководье. При засыпке траншей этот грунт с помощью плавкрана, с черпаком объемом 1.25 м 3,
обеспечивающего производительность погрузки до 105 м3/час и 700-800 м3
грунта в сутки, вновь грузится на шаланды, которые сбрасывают его в воду
в нескольких метрах выше траншеи по течению реки. Для пересчета объема грунта в его массу принимается, что удельный вес пород, слагающих
дно реки, составляет примерно 2.5-3 г/см3. С учетом пористости вес одного
кубического метра сухого грунта будет составлять около полутора тонн
Поскольку динамика взвеси в воде существенно зависит от величины
частиц, то их размерное распределение должно быть учтено при задании
параметров источника. В табл.5.2.4 приведены материалы специальных
исследований, выполненных НПП "Речник" [Оценка воздействия ..., 1995],
по оценке этого распределения частиц грунта в различных частях речного
русла.
Таблица 5.2.4
Гранулометрический состав (в %) верхнего слоя донных отложений (0-0.25 м) р.Ангары в районе перехода
Размер частиц грунта (мм)
Место отбора
проб
max
70
40
2
0.5
0.25
0.05
0.005
0.002
min
40
2
0.5
0.25
0.05
0.005
0.002
0
Весовое содержание частиц в пробе (%)
Правый берег
Середина реки
Левый берег
1.7 55.6 10.0
9.6
9.6
9.2
1.8
2.5
11.5
7.6
3.5
0.9
2.5
8.7 50.7 11.1 12.7
7.9
6.1
1.8
1.0
0
64.5
9.5
Для определения характеристик загрязнения реки взвешенными веществами принципиальное значение имеет, собственно говоря, не количество
перемещаемого грунта, а только та его часть, которая при выполняемых
работах поступает в воду виде взвеси. Эта доля существенно зависит от
характера земляных работ, типа и гранулометрических характеристик
грунта и гидрологического режима реки в районе работ. Суммарную долю
197
(коэффициент уноса) поступления взвеси в воду в процессе выкапывания
канавы и формирования отвала можно примерно оценить по диаграмме
П.2.4 [Временные указания ..., 1986]. Согласно этой диаграмме, для условий строительства перехода через Ангару обсуждаемая характеристика будет составлять до 30-40% для частиц размером 0.1-0.2 мм, 20-30% для частиц 0.2-0.5 мм и 10-20% для частиц 0.5-1 мм. Такие доли уноса определяются способом поступления (по грунтопроводу) взвеси при формировании
отвала. При строительстве перехода через Ангару применяется другая технология - вывоз грунта в отвал шаландами. Это заметно меняет картину
взмучивания воды и позволяет оценить коэффициент уноса грунта величиной 5-15% от общего объема изымаемого грунта.
Пространственная горизонтальная структура источников загрязнения
воды взвешенными веществами определяется размерами механизмов, выполняющих землечерпательные работы, и местом проведения этих работ.
Вертикальное поступление можно приближенно считать равномерно распределенным от дна до поверхности при работе земснаряда и плавкрана и
от днища шаланды (осадка 140 см) до дна реки при формировании отвала.
Подведя итог сказанному, можно выделить несколько различающихся
своими характеристиками источников загрязнения воды, которые имитируют поступление взвеси в воду при строительстве подводного перехода:
 работающий на полную мощность земснаряд БС-201 - непрерывный
по времени источник загрязнения, передвигающийся поперек реки по
мере выкапывания траншеи, с максимальной суммарной по всем
фракциям интенсивностью до 40 тонн взвеси в час;
 плавкран - импульсный источник с частотой до 100 импульсов в час с
массой выброса в импульсе 150 кг (средняя интенсивность 15 тонн в
час), расположенный в месте отвала грунта;
 сброс грунта с шаланд - нерегулярный импульсный источник с массой
выброса в импульсе до 5 тонн, который может быть расположен как в
районе отвала грунта (при выкапывании траншей), так и в створе перехода (при засыпке траншей).
Программные средства, реализующие модель. При использовании
метода статистических испытаний нет смысла в подробной записи математической структуры задачи. Формулировку модельных ограничений удобнее выполнять непосредственно на языке программирования, т.е. в виде
имитационной модели. В данном случае моделирующие алгоритмы были
написаны на языке программирования «Турбопаскаль» [Фаронов, 1992] и
представлены тремя основными модулями.
198
Первый модуль вычисляет распределение глубин в зависимости от текущего расхода воды в реке, интерполирует и корректирует поле скорости
по величине и направлению. Он также оценивает размах пульсаций и производит разложение скоростей по проекциям на оси выбранной системы
координат. Второй модуль выполняет расчет трехмерной динамики облака частиц от мгновенного, но распределенного по пространству источника
по методу Монте-Карло. Третий модуль, используя результаты работы
двух предыдущих, моделирует динамику во времени мощности источника
загрязнения и формирование поля концентраций от такого источника.
Кроме того, он обеспечивает выдачу финальной информации для пользователя на экран дисплея или принтер.
Построенная модель позволяет рассчитывать динамику трехмерного
поля концентраций загрязняющих веществ, поступающих в воду от точечного (или распределенного в пространстве) источника с переменной интенсивностью по времени в многосвязной области с произвольной конфигурацией ее границ. Характерная точность модельных расчетов концентрации загрязнителя, с учетом погрешностей в исходных данных, допущений, сделанных в концептуальной части модели, и приближенности вычислений в части ее реализации, оценивается величиной в 30-40% .
5.2.2. Предварительные приближенные оценки поведения
взвеси в воде
Прежде чем проводить детальные расчеты динамики мутности на модели, сделаем некоторые оценки, которые в общих чертах позволят представить картину загрязнения и более правильно спланировать численные
эксперименты на имитационной модели.
Используя график зависимости средней скорости частиц от их размера, для каждого размерного класса частиц грунта (см. табл.5.2.3) вычислим
характерное время их оседания на дно. Кроме того, определим ориентировочную величину сноса частиц вниз по течению как произведение характерного времени оседания на среднюю скорость течения реки, равную
примерно 2 м/с. Результаты этих вычислений помещены в табл.5.2.5.
При средней скорости течения реки около 2 м/с и поперечном размере
траншеи 15-17 м частицы размером более 2 мм не покидают места производства работ и не участвуют в формировании поля мутности. Доля взвеси
с размерами частиц менее 2 мм образует неоднородное поле мутности,
расчет структуры и временной динамики которого требует громоздких
расчетов и может быть выполнен только с использованием модели. Ре-
199
зультаты этой работы представлены в следующем пункте. Частицы менее
0.005 мм выносятся за сотни километров в Братское водохранилище, практически перемешиваясь по поперечному сечению реки через 20-30 км ниже по течению от источника загрязнения. Доля таких частиц в гранулометрическом составе грунта составляет, согласно табл. 5.2.3, около 3-5% от
его массы.
Таблица 5.2.5
Ориентировочные оценки параметров распространения взвешенных
частиц по реке Ангаре
Размер взмученных частиц грунта (мм)
max
70
40
2
0,5
0,25
0,05
0,005
0,002
min
40
2
0,5
0,25
0,05
0,005
0,002
0
Характерное время оседания частиц на дно
2-4
4-6
6-40
1-2
2-30
1-50
2-10
>10
сек
сек
сек
мин
мин
час
суток
суток
Величина сноса частиц вниз по течению реки
4-8
8-12
12-80
100-200
0.2-4
4-300
м
м
м
м
км
км
км
км
При одновременной и непрерывной работе одного земснаряда БС-201
и одного плавкрана на полную мощность суммарный средний поток поступления в воду частиц размером <0.005 мм составит менее или около
одного килограмма в секунду и, соответственно, приращение мутности,
ниже створа полного перемешивания, не более 0.5 г/м3. Поскольку основная часть легкой взвеси, достигая створа полного перемешивания, не успевает осесть на дно, а среднесуточная интенсивность работы названных агрегатов в 2-3 раза меньше максимальной, то, соответственно, среднее приращение (в этом створе и далее) концентрации взвешенных веществ будет
примерно во столько же раз меньше.
5.2.3. Примеры модельных расчетов поля загрязнения
При модельных расчетах имитировалась трехмерная динамика концентрации взвешенных веществ. Горизонтальная структура поля загрязнения, выводимая на экран монитора или принтер, рассчитывалась как средняя по вертикали концентрация взвеси в верхнем 90%-м от локальной глу-
200
бины слое воды. Такой выбор выдаваемого в качестве результата расчетов
был обусловлен тем, что эта оценка является более показательным признаком качества воды по сравнению со средним по всей ее толще. Частицы
взвеси, попавшие в придонную зону с пониженным коэффициентом турбулентности (см. рис.5.2.3) обратно в верхние слои воды практически не
возвращаются.
Детальная картина и анализ всех проведенных численных экспериментов представлены в отчете по хоздоговорной теме [Оценка воздействия
..., 1995]. Здесь же, для иллюстрации возможностей модели, приводятся
отдельные фрагменты этой работы. Типичные примеры результатов расчетов по модели показаны на рис. 5.2.5 и 5.2.6. Значения средней концентрации взвеси, приводимые на рисунках, отражают не суммарную концентрацию мутности, а только ту ее часть, которая обусловлена выполнением
земляных работ по прокладке трубопровода. Полная концентрация складывается из приращения концентрации взвешенных веществ, значения которых приводятся на рисунках, и фонового ее значения. Естественная или
фоновая компонента мутности составляет, как это упоминалось ранее, в
среднем 5-15 г/м3.
Разработка траншей. Проведенные численные эксперименты показывают, что наиболее короткий факел мутной воды реализуется при выполнении работ около правого берега реки Ангары, когда взвешенные вещества транспортируются через протоку, где наблюдаются меньшие глубины и скорости течения по сравнению с остальным руслом. Эти факторы,
несмотря на большую долю легкой фракции в гранулометрическом распределении грунта в этой части рассматриваемой акватории и высокую
начальную концентрацию взвеси, связанную с малым начальным объемом
разбавления, приводят к быстрому оседанию взвешенных частиц на дно
реки. При разработке траншеи около правого берега практически исключается попадание взвеси в протоку Еловую, по которой она может достигнуть водозабора города Ангарска.
Наиболее опасной, с точки зрения попадания взвеси в протоку Еловую, является разработка траншеи около левого берега (рис.5.2.5). Не исключается это явление и при работах в центральной части реки. В обоих
последних случаях расчетное превышение дополнительной концентрации
над фоном на входе в названную протоку составляет менее 0.2 г/м3 и не
представляет опасности с точки зрения влияния на качество воды вблизи
водозабора. Превышение концентраций в створе 500 м ниже по течению от
траншеи трубопровода (в районе нижней части о.Ашун) достигает 2-4 г/м3,
201
что больше ПДК, но соответствует нижней границе фоновых концентраций мутности и лежит в пределах ее естественных колебаний.
Рис.5.2.5. Осредненная по вертикали горизонтальная структура загрязнения верхнего (90% от глубины места) слоя воды взвешенными веществами от
стационарного источника мощностью 4,3 кг взвеси в секунду (непрерывная работа земснаряда по выкапыванию траншеи под трубопровод)
при расходе реки 1900 куб.м в сек.
Обозначения : а – место расположения источника, б – трасса трубопровода, средняя концентрация взвеси в воде; 0 – фон, 1 – приращение 0-0,4 г/м3,
2 - 0,4-0,8 г/м3, 3 - 0,8-2 г/м3, 4 - 2-4 г/м3, 5 - 4-6 г/м3, 6 – более 6 г/м3.
Рис. 5.2.6. Горизонтальная структура пятна загрязнения воды взвешенными веществам
через 29 минут после импульсного поступления порции 675 кг грунта в воду
(сброс с шаланды) при расходе реки 1900 куб.м в сек.
202
Обозначения : а – место расположения источника, б – трасса трубопровода, средняя концентрация взвеси в воде; 0 – фон, 1 – приращение 0-0,4 г/м3,
2 - 0,4-0,8 г/м3, 3 - 0,8-2 г/м3, 4 - 2-4 г/м3, 5 - 4-6 г/м3, 6 – более 6 г/м3.
Формирование и разборка отвалов. Наиболее подходящим местом
для формирования отвала грунта оказывается выход на мелководье вдоль
правого берега, располагающийся напротив нижней половины о.Ашун.
При сбрасывании грунта из шаланды происходит вынос облака взвеси на
мелководье, где она быстро оседает на дно. Концентрация его в верхнем
(90%-м от глубины места) слое быстро падает и через 30 минут после
сброса не превышает 10 г/м3 в максимуме (рис.5.2.6). Через 60-70 минут, к
тому времени, когда центр пятна достигнет створа верхней части острова
Грановский, отделяющего протоку Еловую от основного русла Ангары,
соответствующие концентрации падают до нескольких десятых грамма в
кубическом метре. В толще воды при этом остается около одного процента
от первоначального количества взвеси с диаметром частиц менее 0.05 мм.
При проведении численных экспериментов на модели был просчитан
и второй вариант размещения отвала - вдоль речной части о.Ашун. Этот
вариант выглядит более экономичным с точки зрения сокращения пути
транспортировки грунта. Однако, гидродинамический режим этой части
реки способствует более медленному удалению взвеси из толщи воды,
обеспечивая тем самым более сильное ее загрязнение. Кроме того, в этом
случае возможно попадание легкой взвеси в протоку Еловую, что вызывает, хотя и незначительное, но ухудшение качества воды вблизи водозабора
города Ангарска. Еще более отчетливо различие в параметрах загрязнения,
в зависимости от места размещения отвала, наблюдается при имитации работы плавкрана. При неудачном его выборе менее интенсивный источник
загрязнения (работа плавкрана при разборке отвала) может сформировать
более высокие концентрации взвеси на входе в протоку Еловую, чем более
интенсивный (работа земснаряда) при выкапывании траншеи.
Засыпка траншей. При засыпке траншей грунтом, сбрасываемым с
шаланд, расчетные приращения концентрации мутности в районе контрольного 500 метрового створа ниже трассы трубопровода оказываются
сравнимыми с фоновыми ее значениями. При достижении створа верхней
части острова Грановскиий (через 50-60 минут с момента опорожнения
шаланды) они уменьшаются до величин, не превышающих 0.2-0.4 г/м3.
203
5.2.5. Оценка результатов моделирования и рекомендации по
минимизации загрязнения реки
Результаты расчетов параметров загрязнения воды взвешенными веществами, поступающими в неё при строительстве перехода трубопровода
через Ангару, показывают, что при выполнении подводных земляных работ ожидаемое повышение концентрации взвешенных веществ в контрольном створе в большинстве ситуаций не превышает нескольких граммов на кубический метр. Исключение составляют работы по формированию и разборке отвала вдоль речного берега о.Ашун, когда, вследствие
особенностей распределения глубин и гидродинамических параметров потока, концентрации взвешенных веществ могут достигать 5-6 г/м3 и более.
Такие параметры антропогенного загрязнения превышают установленные
нормы [Перечень ПДК … , 1995], но сравнимы с летне-осенними значениями фоновых концентраций взвешенных веществ и лежат в пределах их
естественных колебаний.
При удалении от источника загрязнения до створа острова Грановский
и, далее, до створа водозабора г.Ангарска за счет осаждения на дно и разбавления взвеси ее дополнительные концентрации снижаются до нескольких десятых долей г/м3 и менее.
Проанализировав качественные и количественные особенности формирования поля приращений мутности, можно сформулировать следующие рекомендации для минимизации экологического ущерба от загрязнения воды.
При выполнении земляных работ нежелательна одновременная работа
более чем одного земснаряда и одного плавкрана. Тем не менее, при необходимости интенсификации строительства параллельные работы могут
проводиться у правого и левого берегов, но не должны локализоваться в
середине реки или у ее левого берега.
Временный отвал грунта лучше всего располагать у правого берега,
напротив острова Ашун, сдвинув его вверх по течению реки до точки, куда
могут подняться груженые грунтом шаланды.
Для уменьшения загрязнения воды и сокращения объема земляных
работ желательно организовать их таким образом, чтобы предварительно
уложенную первую нитку трубопровода засыпать грунтом, добываемым
при разработке траншеи под вторую нитку, которая располагается выше по
течению. Тем самым частично исключаются промежуточные транспортировка и складирование грунта в отвал и обратная погрузка его в шаланды
и, соответственно, уменьшается общее загрязнение воды в реке.
204