Рекомендации Р 52.24.627-2007 "Усовершенствованные методы прогностических расчетов распространения по речной сети зон высокозагрязненных вод с учетом форм миграции наиболее опасных загрязняющих веществ" (утв. Федеральной службой по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды 6 ноября 2007 г.) (с изменениями и дополнениями)

Рекомендации Р 52.24.627-2007
"Усовершенствованные методы прогностических расчетов распространения по речной сети зон высокозагрязненных вод с учетом форм миграции наиболее опасных загрязняющих веществ"
(утв. Федеральной службой по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды 6 ноября 2007 г.)

Дата введения 1 января 2008 г.

1 Область применения

Настоящие рекомендации устанавливают методы оперативного проведения прогностических расчетов распространения по речной сети зон высокозагрязненных вод с учетом форм миграции наиболее опасных загрязняющих веществ, а также для выполнения на водных объектах трассерных экспериментов, имитирующих различные аварийные ситуации. Результаты указанных экспериментов рекомендуется использовать для уточнения прогноза перемещения зон высокозагрязненных вод по речной сети как в случае состоявшейся аварии, так и потенциально возможной.

Настоящие рекомендации предназначены для оперативно-производственных подразделений управлений и центров по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (УГМС и ЦГМС) Федеральной службы России по метеорологии и мониторингу окружающей среды (Росгидромет), осуществляющих организацию и проведение наблюдений за состоянием поверхностных вод суши.

2 Нормативные ссылки

В настоящих рекомендациях использованы ссылки на следующие стандарты:

ГОСТ 17.1.1.01-77 Охрана природы. Гидросфера. Использование и охрана воды. Основные термины и определения

ГОСТ 19179-73 Гидрология суши. Термины и определения

ГОСТ 19185-73 Гидротехника. Основные понятия. Термины и определения

ГОСТ 27065-86 (СТ СЭВ 5184-85) Качество вод. Термины и определения

3 Термины, определения и сокращения

3.1 В настоящих рекомендациях применены следующие термины с соответствующими определениями:

3.1.1 Аварийный сброс сточных вод: Сброс сточных вод с превышением проектных или установленных предельно допустимых норм по расходу воды или по содержанию в ней одного или нескольких загрязняющих веществ.

3.1.2 Водный объект: Сосредоточение природных вод на поверхности суши либо в горных породах, имеющее характерные формы распространения и черты режима (ГОСТ 19179).

3.1.3 Водозабор: Забор воды из водоема, водотока или подземного водоисточника (ГОСТ 19185).

3.1.4 Водопользование: Использование водных объектов для удовлетворения любых нужд населения и народного хозяйства (ГОСТ 17.1.1.01).

3.1.5 Водопотребление: Использование водных ресурсов с безвозвратным изъятием воды из водоисточника (ГОСТ 19185).

3.1.6 Водоток: - Водный объект, характеризующийся движением воды в направлении уклона в углублении земной поверхности (ГОСТ 19179).

3.1.7 Высокозагрязненные воды: Воды с повышенным содержанием одного или нескольких загрязняющих веществ, исключающим или существенно ограничивающим водопользование на водном объекте.

3.1.8 Загрязняющее вещество; (ЗВ): Вещество в воде, вызывающее нарушение норм качества воды (ГОСТ 17.1.1.01).

3.1.9 Зона высокозагрязненных вод: Участок водного объекта с высокозагрязненными водами.

3.1.10 Качество воды: Характеристика состава и свойств воды, определяющая пригодность ее для конкретных видов водопользования (ГОСТ 17.1.1.01).

3.1.11 Максимально загрязненная струя в створе водотока. Масса воды с наиболее высоким содержанием загрязняющих веществ, занимающая определенную часть сечения водного потока.

3.1.12 Самоочищение воды: Совокупность природных процессов, направленных на восстановление экологического благополучия водных объектов (ГОСТ 27065).

3.1.13 Створ водотока (реки): Условное поперечное сечение водотока, используемое для оценок и прогноза качества воды.

3.1.14 Сточные воды: Воды, отводимые после использования в бытовой и производственной деятельности человека (ГОСТ 17.1.1.01).

3.2 В настоящих рекомендациях применены следующие сокращения:

- биохимическое потребление растворенного кислорода содержащимися в воде органическими веществами в течение 5 суток;

ВЗ - высокое загрязнение;

ЕКО - емкость катионного обмена;

ПДК - предельно допустимая концентрация;

ПЭВМ - персональная электронно-вычислительная машина;

РОВ - растворенное органическое вещество;

СПАВ - синтетические поверхностно-активные вещества;

ХПК - химическое потребление кислорода.

4 Общие положения

4.1 Появление в речной сети в течение сравнительно непродолжительного времени высокозагрязненных вод в большинстве случаев связано с аварийным сбросом загрязняющих веществ со сточными водами или в результате транспортных аварий.

Назначение уровней концентраций загрязняющих веществ, наличие которых в речной воде оценивается как высокое загрязнение , проводится по согласованию со всеми местными заинтересованными водопользователями и водопотребителями.

Ориентировочные критерии выделения уровней высокого загрязнения водных объектов по отдельным загрязняющим веществам представлены в таблице 1.

4.2 Прогностические расчеты распространения зон высокозагрязненных вод осуществляют для контрольных створов, расположенных ниже источника их поступления или створа реки, где такие воды были обнаружены в результате наблюдений.

Задачей прогностических расчетов является получение в заданных контрольных створах гарантированных количественных характеристик перемещающейся по речной сети зоны высокозагрязненных вод.

Таблица 1 - Критерии уровней высокого загрязнения речных вод

Вещества и показатели качества воды	Предельно допустимая концентрация (ПДК),	Уровень высокого загрязнения воды ,
Азот аммонийный	0,39	2,5	6,4
Алюминий	0,04	1,00	25
Ацетон	0,05	0,5	10
Бензин	0,05	1,5	30
Бензол	0,01	1,0	100
Бентал	0,00001	0,001	100
	2,00	10	5,0
Бутилацетат	0,3	1,0	3,3
н-Гексан	0,5	5,0	10
н-Гептан	0,005	0,1	20
Глицерин	10	50	5
	0,00001	0,001	100
Децис	0,00001	0,001	100
Дихлордифенилтрихлорэтан (ДДТ)	0,00001	0,001	100
Диметилсульфоксид	10	50	5
Диметилформамид	0,25	1,0	4
Дихлорэтан	0,1	1,0	10
Дурсбан	0,00001	0,001	100
Железо общее	0,10	1,0	10
Изопропилацетат	0,12	1,0	8,3
Кадмий	0,001	0,020	20
Керосин	0,01	0,5	50
Кобальт	0,010	0,100	10
Магний	40	120	3
Масло соляровое	0,01	0,5	50
Марганец	0,01	0,50	50
Медь	0,001	0,030	30
Минерализация воды	1000	1400	1,4
Мышьяк	0,050	0,250	5,0
Метилацетат	0,3	1,0	3,3
Цианиды	0,035	0,1	2,9
Цинк	0,010	0,100	10
Нефтепродукты	0,05	1,5	30
Никель	0,010	0,100	10
Нитраты, N	9,1	15,0	1,6
Нитробензол	0,01	0,1	10
Нитрометан	0,005	0,05	10
Нитроэтан	1,0	10,0	10
Пиридин	0,01	0,1	10
Ртуть (1+)	0,0001	0,005	50,0
Свинец	0,006	0,05	8,3
Сероуглерод	1,0	5,0	5
Скипидар	0,2	2,0	10
СПАВ	0,10	1,5	15
Спирт метиловый	0,1	1,0	10
Спирт этиловый	0,01	0,1	10
Спирт изопропиловый	0,01	0,1	10
Спирт изобутиловый	2,4	15	6,25
Сульфаты	100	400	4,0
Тетрахлорэтилен	0,16	1,0	6,25
Трихлорэтилен	0,01	0,1	10
Толуол	0,5	1,5	3,0
Фенолы летучие	0,001	0,030	30
Фосфаты, Р	0,20	0,40	2,0
Фториды	0,75	1,5	2
Фурфурол	0,01	0,1	10
Фюзилад	0,001	0,01	10
ХПК	30	150	5,0
Хлорбензол	0,001	0,01	10
Хлориды	300	450	1,5
Хлористый метилен	9,4	30	3,2
Хлороформ	0,005	0,010	2,0
Хром (общ.)	0,030	0,200	6,6
Хром (6+)	0,020	0,100	5,0
Цианиды	0,050	0,150	3
Циклогексонан	0,00001	0,001	100
Циклогексанол	0,001	0,01	10
Четыреххлористый углерод	0,00001	0,001	100
Этилацетат	0,2	1,0	5,0
Эфир этиловый	0,01	0,1	10
Эфир изопропиловый	0,01	0,1	10

В качестве контрольных следует выделять створы, расположенные:

- в 1 км выше мест основных водозаборов (перечень таких водозаборов заранее согласовывается);

- перед большими населенными пунктами (обычно эти створы совпадают со створами систематических гидрохимических наблюдений);

- в непосредственной близости к государственной границе;

- на расстоянии примерно суточного добегания водных масс до створов основных водозаборов (эти створы желательно совмещать со створами систематических гидрохимических наблюдений);

- в устьях рек на возможном пути перемещения зоны высокозагрязненных масс воды.

Помимо контрольных створов следует также выделять створы, расположенные в конце существенно отличающихся друг от друга по гидроморфологическим характеристикам, участков речной сети с определением протяженности таких участков.

4.3 Для оперативного составления прогнозов в каждом УГМС по контролируемой территории следует иметь и при необходимости корректировать следующие материалы:

- карты и карты-схемы (по возможности крупномасштабные) речной сети (для судоходной части рек желательно иметь лоции);

- перечень и точное местоположение на картах-схемах створов гидрологических постов; створов, где проводятся систематические гидрохимические наблюдения; створов, рассматриваемых в качестве контрольных; мест впадения основных притоков; створов, где наиболее вероятно при определенных обстоятельствах опасное (аварийное) поступление в водный объект загрязняющих веществ;

- значения концентраций отдельных веществ и показателей химического состава воды, наличие которых на контролируемых участках водных объектов оценивается как высокое загрязнение;

- сведения о гидрологическом режиме и морфометрических характеристиках русла водных объектов; для водотоков, где ведутся гидрологические наблюдения, в створах гидрологических постов целесообразно установить статистические зависимости значений максимальной и средней по ширине реки скоростей течения, средней глубины H, ширины В реки, площади поперечного сечения реки F и коэффициентов Шези с от уровня воды или расхода речной воды Q;

- уровни концентраций загрязняющих веществ и содержание взвешенных веществ, характеризующие гидрохимический режим в контрольных створах водотоков в безаварийный период в характерные сезоны года;

- перечень и адреса организаций, заинтересованных в получении прогнозов и сведений об аварийной ситуации на водном объекте.

4.4 В случае состоявшегося аварийного сброса загрязняющих веществ необходимо оперативно собрать информацию, включающую:

- точное местоположение, время начала и продолжительность аварийного поступления в водный объект загрязняющих веществ;

- перечень основных загрязняющих веществ, поступивших (поступающих) в результате аварии в водный объект;

- режим аварийного поступления в водный объект загрязняющих веществ (изменение расходов аварийного сброса сточных вод и концентраций в них основных загрязняющих веществ), а также расстояние от берега до места аварийного сброса*(1);

- основные морфометрические и гидродинамические характеристики для характерных участков рек на период аварийного сброса загрязняющих веществ и перемещения по речной сети высокозагрязненных масс воды.

Если произошла транспортная авария, то дополнительно требуется получить следующие данные:

а) объем и массу сброшенных загрязняющих веществ или хотя бы один из указанных параметров, примерные характеристики попавшего в реку технического продукта в жидком или сыпучем виде - плотность; растворимость в воде; доля в техническом продукте действующего загрязняющего вещества; доля продукта, изолированная от растворения;

б) концентрацию взвешенных веществ в сбросных водах и концентрацию загрязняющего вещества на взвеси (эти данные требуются, если в сбросных водах содержится загрязняющее вещество, в значительных количествах сорбирующееся на взвеси).

4.5 К основным морфометрическим и гидродинамическим характеристикам водотоков следует относить:

- расход воды в речной сети на выделенных характерных участках ниже аварийного сброса загрязняющего вещества ;

- средние и максимальные скорости течения воды, средние значения глубины и ширины речного потока на характерных участках, выделенных по морфометрическим характеристикам между контрольными створами, а также длину этих участков.

Если аварийный сброс вызвал значительное увеличение расхода речной воды, весьма желательными являются сведения о примерной площади поперечного сечения речного потока непосредственно ниже места аварийного сброса сточных вод до начала и в период аварии.

4.6 Сведения о характеристиках аварийного сброса загрязняющего вещества могут быть получены от источника, откуда поступил сигнал об аварийной ситуации, либо, если эти сведения недостаточны или вызывают сомнения (получены от сторонних лиц или организаций), непосредственно на месте случившейся аварии.

При отсутствии данных о характеристиках аварийного сброса сточных вод или сброса загрязняющих веществ (в сухом или жидком виде) в результате транспортной аварии следует попытаться получить сведения о максимальных концентрациях основных загрязняющих веществ и объеме высокозагрязненных масс воды непосредственно на водном объекте, в одном из нижележащих створов. В этом створе главная вертикаль должна располагаться в стрежне потока речных вод, дополнительные (по одной или по две) - на расстоянии примерно 1/3 от каждого берега до стрежня потока. Число горизонтов для отбора проб воды на вертикали определяется глубиной водотока: при глубине до 5 м устанавливают один горизонт (от 0,2 до 0,5 м от поверхности воды или от нижней поверхности льда зимой), при глубине от 5 до 10 м - два горизонта (в 0,5 м от поверхности и в 0,5 м от дна); при глубине более 10 м - три горизонта (дополнительно берется промежуточный горизонт, расположенный посередине между поверхностью и дном). Для отбора одной пробы воды в каждой исследуемой точке сечения реки в течение 10 мин через равные промежутки времени следует отбирать от 10 до 15 примерно равных порций воды, смешивая их в одной емкости. Организация сливной пробы не проводится для определения растворенного кислорода, сульфидов и летучих соединений. Для этих веществ анализ должен проводиться в отдельных порциях воды с последующим осреднением полученных результатов.

Период наблюдения в нижележащем створе определяется временем прохождения всей зоны высокозагрязненных вод, примерное начало которого задается по результатам прогноза. При отсутствии прогностических данных отбор проб следует проводить через каждый час начиная с предполагаемого времени начала аварийной ситуации в интересуемом х-м створе . Последнее определяют по формуле

, (1)

где - общая протяженность участка реки (по фарватеру) от места аварийного сброса загрязняющего вещества до заданного нижележащего x-го створа, м;

- максимальная скорость течения воды в реке (для учета возможного влияния продольной дисперсии взято ее удвоенное значение), м/с;

3600 - коэффициент перевода данных из секунд в часы.

В пробах воды крайне желательно раздельное определение концентраций интересуемого загрязняющего вещества в растворенном виде и на взвешенных веществах.

Примечание - Приближенное содержание загрязняющего вещества на взвеси может быть получено в результате определения разницы валового содержания вещества в воде (по данным в нефильтрованной пробе воды) и в растворенном виде (по данным в фильтрованной пробе воды).

Результаты анализа воды, полученные в каждой вертикали нижележащего створа, должны быть усреднены. За исходные для дальнейшего прогноза перемещения зоны высокозагрязненных вод ниже по течению реки берутся данные в той вертикали, где были обнаружены наибольшие значения концентраций загрязняющих веществ. При этом принимается, что высокозагрязненные массы воды имеют расход, равный, расходу речной воды в рассматриваемом нижележащем створе.

В случае, когда в результате аварии загрязняющее вещество было сброшено в виде "тяжелой" жидкости с плотностью более 1200 , пробы воды в сечении реки ниже сброса следует отбирать в ряде вертикалей и горизонтов. При этом число вертикалей и горизонтов выбирают с учетом предполагаемого объема сбросных вод таким образом, чтобы определить не только концентрации загрязняющего вещества, но и ориентировочные значения ширины и глубины потока "тяжелой" жидкости в русле реки. Для последней цели рекомендуется использовать простые измерительные приборы (например, прибор для определения электропроводности воды, набор ареометров и т.п.).

4.7 Наиболее перспективны для рекогносцировочных наблюдений передвижные химические лаборатории, в которых переносные анализаторы позволяют обнаружить, а затем проследить путем учащенного отбора и анализа проб воды характеристики перемещающейся зоны высокозагрязненных вод.

В случае крупномасштабных аварий на больших реках, особенно при разливах нефти, для поиска перемещающейся зоны высокозагрязненных вод и корректировки ее местонахождения весьма эффективны вертолетные гидрохимические съемки с использованием дистанционных и контактных методов анализа химического состава воды.

4.8 Результаты прогнозных расчетов следует считать неоправдавшимися, если по данным наблюдений за аварийной ситуацией на водном объекте в контролируемых створах был обнаружен высокий уровень загрязнения в сроки вне интервала времени указанного в прогнозах, в частности, если концентрации на уровне высокозагрязненных вод во фронтальной части зоны были обнаружены раньше, а в хвостовой части позже, чем это ожидалось по результатам прогноза.

В конце года или другого специально оцениваемого периода оправдываемость совокупности составленных за этот период прогнозов может быть рассчитана по формуле

, (2)

где - оправдываемость совокупности прогнозов за рассматриваемый период, %;

- число оправдавшихся прогнозов;

- общее число прогнозов.

Расчеты по указанной формуле целесообразно проводить за периоды с общим числом прогнозов более десяти.

4.9 По алгоритму, приведенному в приложении А, разработана программа для ПЭВМ - "Зона ВЗ-2", которая является неотъемлемой частью настоящих рекомендаций. В приложении Б представлена инструкция для пользователей этой программы.

5 Теоретические основы проведения прогностических расчетов распространения по речной сети зон высокозагрязненных вод

5.1 Общие замечания

5.1.1 К основным характеристикам перемещающейся по речной сети зоны высокозагрязненных вод относят:

- время, через которое область зоны с максимальной концентрацией загрязняющих веществ достигнет заданного контрольного створа реки ;

- максимальную концентрацию загрязняющего вещества в заданном контрольном створе реки при прохождении через него высокозагрязненных вод ;

- время, через которое фронтальная и хвостовая часть высокозагрязненных вод достигнут заданного контрольного створа реки ; ;

- продолжительность времени, в течение которого в заданном контрольном створе ожидаются концентрации загрязняющих веществ на уровне высокого загрязнения (рисунок 1).

Наиболее важной из перечисленных характеристик является .

5.1.2 Если при составлении прогноза необходимо рассматривать несколько загрязняющих веществ, то для определения времени перемещения фронта высокозагрязненных вод выбирают вещество, которому соответствует наименьшее значение , а для определения времени перемещения хвостовой части зоны - вещество, которому соответствует наибольшее значение . Значение параметра определяется в этом случае разницей рассчитанных значений и .

5.1.3 Особо следует выделять аварийные ситуации со сбросом в водный объект сырой нефти. Попав в водный объект, нефть мигрирует в различных формах: растворенная, пленочная, эмульгированная, сорбированная на взвесях (см. приложение В).

В водном объекте определение содержания нефтепродуктов, как правило, осуществляется в виде суммарной концентрации растворенной, эмульгированной и сорбированной на взвесях форме, а также отдельно в пленке на поверхности воды.

В целом для прогноза распространения по речной сети образовавшихся в результате аварии загрязненных нефтепродуктами масс воды требуется формализация большого количества неизученных или слабо изученных физических и химических процессов. В связи с указанным в настоящих рекомендациях реализовано решение задачи по ориентировочной оценке загрязнения речных вод в результате аварийного сброса (разлива) нефти или нефтепродуктов с учетом сведений, приведенных в приложении В.

В методах, рекомендуемых для прогностических расчетов, были использованы следующие положения и допущения:

- в результате быстрых процессов образования эмульсий, взвесей и растворения в речной поток первоначально переходит примерно 20% нефти или легкого нефтепродукта, образующего на поверхности воды пленку (указанная доля нефтепродуктов использована в виде первого приближения, при наличии более точных данных она должна быть откорректирована);

- основными процессами, влияющими на содержание и распределение нефти или легкого нефтепродукта в речной воде и пленке, являются: испарение, биохимическое окисление в воде и пленке, миграция нефти и нефтепродуктов между соприкасающимися средами в направлениях пленка-вода и вода-пленка, а также продольная дисперсия загрязненных нефтепродуктами масс воды;

- скорости биохимического окисления нефти и нефтепродуктов в пленке и в речной воде примерно одинаковы;

- максимальные и средние скорости перемещения по реке нефти или нефтепродукта, находящихся в толще воды и пленке, отличаются незначительно;

- попав в реку, сырая нефть или нефтепродукты относительно быстро занимают определенное пространство по ширине реки, что приводит далее к сравнительно быстрому и достаточно равномерному начальному смешению речной воды с нефтепродуктами, поступающими из пленки. При этом для ориентировочных расчетов принимается, что в больших реках в начальном разбавлении нефтепродуктов участвует примерно 60% расхода речной воды, в средних - 80%, а в малых 100% (при наличии результатов обследования отличающихся от указанных значений в исходные данные следует вводить необходимые коррективы);

- испарение нефтепродуктов в течение первых пяти дней при температурах воздуха более 10°С, выраженное в виде коэффициента скорости их убыли , составляет в среднем 1/сут ( 1/с); легкие фракции нефтепродуктов в отдельности испаряются значительно интенсивнее: для ориентировочных расчетов можно принять для бензинов 1/сут ( 1/с), ароматических углеводородов (бензол, толуол и др.) - 1/сут ( 1/с); для температур менее 10°С значения скорости испарения нефтепродуктов следует брать в два раза ниже;

- в качестве коэффициента самоочищения речной воды от нефти К (главным образом от ее суммарного содержания в виде эмульсий и сорбированного вещества на взвеси) рекомендуется брать К = 0,02 1/сут ( 1/с) при температуре воды t° менее 10°С; 1/сут ( 1/с) при t° = 10-15°С; 1/сут ( 1/с) при t° > 15°С; для бензиновой и керосиновой фракций для ориентировочных расчетов рекомендуется брать К = 0,05 1/сут ( 1/с) при температуре воды t° < 10°С, 1/сут ( 1/с) при t° = 10-15°С, 1/сут ( 1/с) при t° > 15°С, для ароматических углеводородов (бензол, толуол и др.) - К = 0,005 1/сут ( 1/с) при температуре воды t° < 10°С, 1/сут ( 1/с) при t° = 10-15°С, 1/сут ( 1/с) при t° > 15°С; скорость самоочищения мазута в речной воде в зависимости от температуры принимается в 2-2,5 раза ниже, чем для нефти; при температурах 4°С и менее - К = 0 1/сут (самоочищение отсутствует);

- для проведения прогностических расчетов рекомендуется принимать коэффициент перехода нефтепродуктов из пленки в воду равным 1/сут ( 1/с), а из воды в пленку - 1/сут ( 1/с); для ориентировочных расчетов при отсутствии других данных такие же значения коэффициентов можно принимать и для других нефтепродуктов, образующих на воде пленку.

5.1.4 В результате транспортной аварии в водоток может быть сброшено загрязняющее вещество в виде сухого или жидкого технического продукта. В зависимости от плотности и растворимости этого продукта возможно несколько сценариев загрязнения водного объекта:

- перемещение и растворение загрязняющего вещества в водной толще;

- перемещение технического продукта на месте аварии на дно водотока с последующим растворением в речной воде;

- переход загрязняющего вещества в результате процессов сорбции из растворенной формы в сорбированное на взвеси состояние.

Учитывая слабую изученность большинства процессов, которые могут происходить при загрязнении водотока в результате транспортной аварии, а также отсутствие, как правило, возможности оперативного получения подробных исходных данных о таких авариях, целесообразным является составление только ориентировочных прогностических расчетов аварийного загрязнения речных вод для получения гарантированных (не заниженных) концентраций загрязняющих веществ в речных водах.

При наличии в речной воде взвешенных глинистых веществ переход растворенных и сорбированных на взвесях загрязняющих веществ в донные отложения при относительно непродолжительном прохождении по реке зоны высокозагрязненных вод можно не учитывать, поскольку по времени диффузионные процессы перехода веществ из водной толщи в донные отложения довольно продолжительны, а сорбционная поверхность донных отложений и контакт с ней водных масс намного ниже, чем таковые для взвешенных глинистых минералов. В указанных условиях значительного накопления загрязняющих веществ в реке в донных отложениях не происходит [1]. Существенное накопление загрязняющих веществ в донных отложениях возможно в местах интенсивных седиментационных процессов для глинистых веществ, например в нижней части водохранилища, куда поступили воды с загрязненными мелкими (тонкозернистыми) фракциями взвешенных веществ.

Емкость поглощения глинистых веществ существенно зависит от степени дисперсности взвешенных веществ и наличия на них уже сорбированного загрязняющего вещества. При равноценных условиях пелитовая часть этих веществ (крупность менее 0,01 мм) обладает большей поверхностью поглощения и включает большую часть минералов способных к сорбции, чем алевритовая (0,01-0,1 мм) или псаммитовая (0,1-2 мм), и фактически определяет максимальную емкость поглощения микроэлементов или органических загрязняющих веществ глинистыми минералами. Состав и количество взвесей может изменяться по длине реки в различные сезоны года в связи с изменением условий поступления взвешенных веществ в водоток. На равнинных участках рек в связи с высокой миграционной способностью преобладает пелитовая часть глинистых веществ. Алевритовая часть глинистых веществ более характерна в верховьях горных и предгорных рек.

При отсутствии натурных данных для приближенных прогностических расчетов можно принять, что доля пелитовой фракции глинистых веществ во взвешенных веществах составляет [2]:

а) для равнинных рек в межень 30-40%, в половодье 70-80%;

б) для горных рек в межень 5%, в половодье 15-20%.

Общая емкость поглощения и, в частности, емкость катионного обмена (ЕКО) глинистых материалов, к сожалению, слабоизученная, изменяющаяся в значительных пределах величина. По данным, приведенным в [3, 4], ЕКО глинистых минералов изменяется в пределах 0,0008-0,020 мг-экв/мг. При отсутствии наблюденных данных для ориентировочных прогностических расчетов в качестве осредненного значения ЕКО можно принять 0,003-0,005 мг-экв/мг.

Снижению токсичности тяжелых металлов в речной воде, кроме процесса сорбции на взвешенных веществах, способствует образование комплексных соединений с растворенными органическими веществами (РОВ) (для меди это составляет примерно 15% от исходного растворенного вещества) и аккумуляция биотой (для меди около 10-30%) [5]. Сорбированные на взвесях РОВ во много раз увеличивают емкость их поглощения. К сожалению, влияние РОВ на комплексообразование различных тяжелых металлов практически не изучено, что не позволяет использовать этот процесс для численных прогностических решений. Все процессы для загрязняющих веществ, кроме сорбции на тонкодисперсной части взвешенных минералов, отнесены в запас расчета наличия этих веществ в речной воде в растворенном виде.

Учитывая слабую изученность рассмотренных процессов, для прогностических расчетов были использованы следующие основные предположения, допущения и концептуальные решения:

- в результате транспортной аварии сброс сыпучего или жидкого продукта происходит в массовом количестве и относительно быстро (по продолжительности аварии исключение может составлять аварийный сброс сточных вод);

- все жидкие вещества с плотностью, равной или меньшей 1200 , и твердые (в измельченном виде) с плотностью, равной или меньшей 1010 , попав в реку и перемещаясь в толще воды, смешиваются с ней как обычные сточные воды;

- попавший на дно сыпучий технический продукт не оказывает существенного влияния на структуру речного потока (поперечный профиль массы сыпучего продукта на дне достаточно мал по сравнению с сечением речного потока);

- зерна сыпучего продукта по крупности примерно одинаковы и имеют округлый вид, не способствующий их планированию в речном потоке;

- растворимые жидкие вещества с плотностью более 1200 опускаются на дно реки и дальнейшее их влияние на качество речных вод зависит от их объема, величины плотности и особенностей перемещения по дну реки;

- нерастворимые жидкие вещества с плотностью более 1200 в виде специальной задачи в рассматриваемых оперативных прогностических расчетах не рассматриваются (эти вещества в зависимости от их свойств и турбулентности речного потока будут, по-видимому, лишь частично смешиваться с речной водой, мигрируя главным образом в придонном слое на значительные расстояния до мест их возможной "разгрузки" (пруды, водохранилища, слабопроточные участки плесов и т.п.),

- твердые сыпучие вещества с плотностью выше 1010 , попав в реку, опускаются на дно и при хорошей растворимости довольно быстро растворяются и могут загрязнять речную воду до высоких концентраций; нерастворимые или слаборастворимые вещества в сыпучем виде, имеющие аналогичную плотность, представляют меньшую опасность для загрязнения реки и в рассматриваемых оперативных прогностических расчетах не рассматриваются;

- жидкости, более легкие, чем вода, кроме нефтепродуктов, (углеводороды, спирты, эфиры, кетоны) устойчивых пленок в воде не образуют, а переходят в эмульгированное и сорбированное на взвесях состояние и частично растворяются в речной воде; при прогностических расчетах определяется только их валовое количество в речной воде;

- загрязняющее вещество в виде "тяжелой жидкости" в водотоках с песчано-илистыми донными отложениями будет перемещаться по дну не перемешиваясь с остальной массой воды, если плотность этой жидкости равна или более 100000 . Эго условие является весьма ориентировочным, поэтому при меньшей плотности технического продукта или наличии на дне каменистого грунта требуется дополнительная проверка ситуации и внесение необходимой поправки в указанное "критическое" значение плотности (в частности, снижение "критического" значения при стойком расслоении речной воды и "тяжелой жидкости", и увеличение его при нестойком расслоении этих масс воды).

5.1.5 Теоретически при транспортной аварии сброс загрязняющего вещества сравнительно невысокой плотности в жидком виде можно рассматривать как разновидность аварийного сброса сточных вод в водный объект.

5.1.6 Катастрофические аварийные ситуации, когда в результате сброса сточных вод происходит превышение всех возможных условий естественного гидрологического режима на водном объекте, в настоящих рекомендациях не рассматривается. Для таких условий более целесообразна экспертная оперативная оценка скоростей и масштабов распространения загрязняющих веществ по другим методам.

5.2 Прогноз времени перемещения высокозагрязненных вод по речной сети между начальным и заданными створами

5.2.1 Точность расчета времени перемещения высокозагрязненных вод по речной сети между начальным и заданным створами обусловлена прежде всего точностью определения скорости перемещения загрязненных масс воды.

Как показали трассерные эксперименты, проведенные на разных реках сотрудниками ГУ "Гидрохимический институт", действительные значения скорости перемещения центра зоны высокозагрязненных вод лежат в пределах между средним и максимальным значениями скорости потока, причем на первых участках пути скорость перемещения центра зоны высокозагрязненных вод практически равна максимальной скорости течения воды в той части сечения реки, в которой находится основная масса этих вод. Учитывая этот факт, целесообразно представлять максимальное и минимальное время перемещения зоны высокозагрязненных вод, используя в расчетах соответственно значения максимальной и средней скоростей течения речной воды.

В центре зоны высокозагрязненных вод или вблизи от него (с небольшим смещением в сторону фронтальной части зоны) обычно находятся водные массы с наиболее высокими концентрациями загрязняющих веществ. При незначительной изменчивости средней и максимальной скоростей течения воды на рассматриваемом участке реки время перемещения центра зоны высокозагрязненных вод между исходным и заданным контрольным створом можно рассчитать по формуле

, (3)

где - общая протяженность участка реки (по фарватеру) от места аварийного сброса сточных вод до заданного х-го створа, м;

v - соответственно рассматриваемому варианту расчета средняя или максимальная скорость течения воды на речном участке длиной , м/с.

5.2.2 На речных участках с плавно изменяющимися морфометрическими характеристиками средние значения параметра v рассчитывают по формуле

, (4)

где , - соответственно варианту расчета средние или максимальные в сечении реки скорости течения воды в начале (индекс I) и конце (индекс II) рассматриваемого участка, м/с*(2).

5.2.3 На реке, где нет резко отличающихся по морфометрическим характеристикам участков, значения средней и максимальной скорости течения воды между створами гидрологических постов (например, для створов водопользования) можно определить по интерполяционной формуле вида

, (5)

где - ожидаемая скорость течения речной воды в х-м створе, расположенном между первым (I) и вторым (II) гидрологическими постами или створами, где были проведены срочные измерения этого параметра, м/с;

- протяженность участка реки между створом первого гидрологического поста и заданным х-м створом, м;

- протяженность участка реки между створами гидрологических постов, м.

Если на рассматриваемом речном участке можно допустить линейное изменение значений по другим гидрологическим и морфометрическим характеристикам, то расчеты их средних значений можно также проводить по формулам (4) и (5).

При существенно-нелинейных изменениях гидрологических характеристик расчеты следует проводить по соответствующим статистическим связям либо разбивать речной участок на более мелкие участки, где нелинейностью можно пренебречь.

5.2.4 При наличии выделенных участков реки (или рек), отличающихся по морфометрическим характеристикам, значение параметра определяют как сумму времени перемещения зоны высокозагрязненных вод на каждом из этих участков в виде

, (6)

где , , ..., - используемые для расчета скорости течения, м/с, речной воды на участках длиной , , ..., , м.

5.2.5 Увеличение скорости течения речной воды в результате кратковременного выпуска больших объемов сточных вод обычно имеет значение для расчетов только на первых километрах ниже сброса. Чтобы обоснованно решить вопрос о необходимости учета этого фактора, следует рассчитать, насколько увеличилась средняя скорость течения речной воды в створе сброса сточных вод по формулам:

, (7)

, (8)

, (9)

где и - ориентировочная средняя скорость речной воды соответственно до начала и в момент максимального аварийного сброса сточных вод, м/с;

Q - расход воды в реке выше сброса сточных вод, ;

и - расход сточных вод соответственно до начала и в период максимального аварийного сброса, ;

и - ориентировочная площадь поперечного сечения речного потока соответственно до и в момент максимального аварийного сброса сточных вод, ;

- коэффициент увеличения скорости течения речной воды, %.

Если повышение средней скорости течения речной воды составляет более 20%, то специалисты по гидрологическим прогнозам должны оценить длину участка реки, где будет происходить "распластывание" профиля распределения повышенного расхода речной воды и наблюдаться повышенная средняя скорость течения воды. В тех случаях, когда длина участка полного "распластывания" профиля распределения повышенного расхода воды составляет более 10% расстояния между местом сброса сточных вод и заданным для прогноза створом, при расчетах по формуле (6) следует вводить необходимые поправки в значения скоростей на выделенных речных участках (способы ориентировочного вычисления максимальных скоростей течения речной воды описаны в 5.2.6).

В простейшем случае, когда вода ниже сброса сточных вод не выходит на пойму, примерную длину открытого (свободного ото льда) речного участка (м), где происходит полное "распластывание" профиля распределения повышенного расхода речной воды, можно определить по формуле Крицкого-Менкеля [6], решая ее относительно рассматриваемой длины участка реки:

, (10)

где и - расход речной воды в створе сброса сточных вод соответственно до начала сброса и в период максимального расхода сбрасываемых сточных вод, ;

- уклон дна речного русла;

- объем сброшенных сточных вод, ;

- коэффициент шероховатости русла, определяемый по таблицам 2, 3 или по формуле

, (11)

где - эффективный диаметр донных отложений, соответствующий 50%-му значению крупности частиц по гранулометрической кривой, мм.

Таблица 2 - Значения коэффициента шероховатости для открытых русел (по М.Ф. Срибному)

Характер ложа
Реки в весьма благоприятных условиях (чистое прямое ложе со свободным течением, без обвалов и глубоких промоин)	0,025
Реки в благоприятных условиях течения	0,030
Реки в сравнительно благоприятных условиях, но с некоторым количеством камней и водорослей	0,035
Реки, имеющие сравнительно чистые русла, извилистые с некоторыми неправильностями в направлении струй или же прямые, но с неправильностями в рельефе дна (отмели, промоины, местами камни); некоторое увеличение количества водорослей	0,040
Русла (больших и средних рек), значительно засоренные, извилистые и частично заросшие, каменистые с неспокойным течением. Поймы больших и средних рек сравнительно разработанные, покрытые нормальным количеством растительности (травы, кустарники)	0,050
Порожистые участки равнинных рек. Галечно-валунные русла горного типа с неправильной поверхностью водного зеркала. Сравнительно заросшие, неровные, плохо разработанные поймы рек (промоины, кустарники, деревья с наличием заводей)	0,067
Реки и поймы, весьма заросшие (со слабым течением), с большими глубокими промоинами. Валунные, горного типа, русла с бурливым пенистым течением, с изрытой поверхностью водного зеркала (с летящими вверх брызгами воды) Поймы такие же, как предыдущей категории, но с сильно неправильным течением, заводями и пр.	0,080
Горно-водопадного типа русла с крупновалунным строением ложа, перекаты ярко выражены, пенистость настолько сильна, что вода, потеряв прозрачность, имеет белый цвет; шум потока доминирует над всеми остальными звуками, делает разговор затруднительным	0,100
Характеристика горных рек примерно та же, что и предыдущей категории. Реки болотного типа (заросли, кочки, во многих местах почти стоячая вода и пр.). Поймы с очень большими мертвыми пространствами, с местными углублениями, озерами и пр.	1,133

Таблица 3 - Значения коэффициента шероховатости для равнинных рек (по Б.В. Полякову)

Категория	Характеристика русла
I	Реки с песчаным руслом, ровным, без растительности, с незначительным перемещением донных наносов	0,02-0,023
II	Реки с песчаным извилистым руслом, с большими перемещениями донных наносов. Пойма, заросшая травой	0,023-0,033
III	Пойма, заросшая кустарником или редким лесом	0,033-0,045
IV	Пойма, заросшая лесом	0,045-0,060

На речном участке длиной , где повышен расход воды, средняя скорость течения воды

, (12)

где и - соответственно варианту расчета средние или максимальные скорости течения в начале и конце участка.

5.2.6 Для приближенного определения поверхностной скорости течения можно пользоваться следующими зависимостями:

, (13)

, (14)

где , - переходные коэффициенты, приближенные значения которых приведены в таблице 4;

и - соответственно средняя и максимальная по ширине реки скорости поверхностного течения воды, м/с.

Для рассматриваемых прогностических расчетов при небольшом расстоянии от места аварийного сброса до заданного контрольного створа рекомендуется использовать коэффициент , при сравнительно большом (более 50 км) - .

Таблица 4 - Данные о переходных коэффициентах , [7]

Характеристика русла и условий протекания	Переходный коэффициент	Средняя глубина, м
		менее 1	от 1 до 5	более 5
Равнинные реки (большие и средние) с благоприятными условиями протекания		0,78-0,86	0,87-0,88	0,89-0,90
		0,55-0,67	0,68-0,77	0,78-0,79
Реки большие и средние с менее благоприятными условиями протекания (значительно засоренные, частично заросшие, извилистые, каменистые, с неспокойным течением)		0,70-0,77	0,78-0,85	0,86-0,87
		0,43-0,54	0,55-0,65	0,66-0,70
Реки с ухудшенными условиями протекания (заросли, кочки, местами сточная вода) горные реки с бурным течением		-	0,70-0,79	0,80-0,84
		-	0,43-0,60	0,61-0,66

5.3 Ориентировочный прогноз основных характеристик перемещающейся по водотоку зоны высокозагрязненных вод

5.3.1 Состав и содержание рекомендованных для прогноза математических моделей ориентированы на разные уровни полноты исходной информации об условиях аварийного сброса и характеристиках речного потока.

5.3.2 Исходной информацией для прогноза являются зафиксированные в пределах небольшого периода времени (часы, несколько суток) в одном из створов контроля за качеством воды в реке неединичные значения концентраций загрязняющего вещества в растворенной или валовой форме миграции (или ряда загрязняющих веществ), превышающие уровень .

Примечание - Важной дополнительной информацией могут служить данные о содержании загрязняющего вещества в растворенной форме и на взвешенных веществах. В этом случае появляется возможность учесть или уточнить в прогностических расчетах действительное соотношение долей вещества мигрирующего в воде на взвеси и в растворенной форме.

Общая блок-схема проведения расчетов характеристик зоны высокозагрязненных вод в контрольных створах водного объекта показана на рисунке 2.

Если принять условие, что распределение значений концентрации загрязняющего вещества в зоне высокозагрязненных вод имеет примерно одинаковый вид по всей ширине реки, очертания поперечного сечения реки близки к прямоугольнику и перемешивание вод по вертикали происходит практически мгновенно, то в основу модели можно положить широко известное решение одномерного уравнения дисперсии для точечного сброса вещества в водный поток, представляемое в виде выражения [8]:

, (15)

где - средняя концентрация вещества в водном потоке на расстоянии через время , ;

- начальная масса сброшенного в поток вещества, г;

F - площадь поперечного сечения водного потока, ;

- коэффициент продольной дисперсии, ;

- время, прошедшее от начала сброса вещества в водоток, с;

К - коэффициент скорости самоочищения воды от сброшенного вещества, 1/с.

Поскольку описанную выражением (15) "точечность" сброса вещества в реку достаточно достоверно невозможно воспроизвести даже с помощью искусственного трассера, для решения задачи целесообразно рассматривать продольное распределение значений концентрации вещества как единую совокупность таких точечных сбросов вещества. Это условие позволяет преобразовать выражение (15) в следующий вид

, (16)

; (17)

; (18)

где - концентрация вещества в N-м сегменте распределения значений концентрации вещества в заданном контрольном створе с учетом формирования концентраций вещества во всех сегментах этого распределения значений концентрации, ;

- концентрация загрязняющего вещества в заданном контрольном створе до прохождения через него зоны высокозагрязненных вод, ;

- концентрация загрязняющего вещества в заданном контрольном створе реки в N-м сегменте (или периоде времени) распределения значений повышенных концентраций по данным пересчета значений концентрации этого вещества из n-го сегмента (без учета влияния формирования значений концентраций в соседних сегментах, т.е. n-й сегмент рассматривается здесь изолированно от остальной части распределения значений концентрации), ;

- концентрация загрязняющего вещества в N-м сегменте распределения значений концентрации в исходном створе реки, (рисунок 3);

- шаг по времени при разбиении распределения повышенных значений концентрации вещества на сегменты в рассматриваемой зоне высокозагрязненных вод, с;

N - номер сегмента в исходном распределении значений концентрации вещества, для которого ведется экстраполяционный расчет;

n - номер очередного сегмента с концентрацией , включенного в расчет параметра ;

- общее число сегментов, взятых для описания распределения значений концентрации вещества (число сегментов в начальном и конечном створах должно быть одинаковым).

Совокупность точек позволяет воспроизвести все распределение значений концентрации вещества в заданном контрольном створе реки.

Основной недостаток уравнения (17) заключается в том, что оно не учитывает наличие образующейся в действительности несимметричности волны значений концентрации вещества, вызванной тем, что часть вещества в передовой части зоны загрязненных вод "поглощается" и задерживается в слабопроточных пространствах речного потока, а затем возвращается, но более медленно, в основной поток воды в хвостовой части зоны. Чтобы исключить этот недостаток модели, в уравнение (17) был введен коэффициент, корректирующих форму распределения значений концентрации.

После введения такого коэффициента выражение (17) будет иметь вид:

, (19)

, (20)

где - коэффициент, корректирующий фронтальную часть распределения концентрации загрязняющего вещества в речном потоке;

- коэффициент, корректирующий хвостовую часть этого распределения.

В случае незначительных безвозвратных потерь загрязняющего вещества в слабопроточных зонах речного русла коэффициенты и являются взаимозависимыми величинами. Эту связь можно выразить уравнением вида

. (21)

С целью учета индивидуальных особенностей речного потока коэффициенты и могут быть получены опытным путем, например, в результате проведения трассерного эксперимента при разных расходах речной воды. Можно их определить и для периода конкретной аварийной ситуации, используя результаты измерения концентраций вещества в нижележащих контрольных створах реки (раздел 8).

Для реализации рассмотренной модели необходимо иметь численные значения , К и .

Варианты расчета скоростей течения речной воды указаны в 5.2.1-5.2.6.

Коэффициенты скорости самоочищения загрязняющих веществ К желательно брать по результатам натурных наблюдений на рассматриваемом водном объекте. При отсутствии таких данных ориентировочные значения К можно брать из таблиц 5, 6. Для водотоков со скоростью течения воды более 0,02 м/с рекомендуется пользоваться ориентировочными коэффициентами К, приведенными в таблице 5. Для других загрязняющих веществ в аналогичных условиях можно использовать коэффициенты, помещенные в таблице 6 предварительно увеличив их втрое. При отсутствии сведений о коэффициенте К, принимают, что К = 0. Используя коэффициенты К для органических веществ, следует обращать внимание на наличие в зоне высокозагрязненнных вод высоких концентраций тяжелых металлов или ядохимикатов. Если концентрации этих токсических веществ превышают значения уровня высокого загрязнения воды , то первые 2-3 сут следует считать, что биохимического окисления органических веществ практически не происходит.

Таблица 5 - Ориентировочные значения коэффициентов скорости самоочищения речной воды от некоторых загрязняющих веществ К

Вещества и групповые показатели химического состава воды	Значения К ( 1/с) при температуре воды, °С
	менее 10	от 10 до 15	более 15
Ионы аммония	1,04	2,08	3,12
Медь	0,69	1,38	2,08
	0,57	1,15	1,73
СПАВ анионактивные	0,34	0,69	1,04
	0,23	0,57	0,81
Фенолы	0,23	0,46	0,69
Цинк	0,11	0,34	0,69
ХПК	0,11	0,23	0,34
Нефтепродукты	0,11	0,23	0,34
Железо общее	0,11	0,23	0,34
Никель	0,11	0,23	0,34
Хром	0,11	0,23	0,34
Фосфорорганические пестициды	0,04	0,06	0,10
Хлорорганические пестициды	0,01	0,01	0,02

Таблица 6 - Ориентировочные значения коэффициентов скорости самоочищения воды водоемов от некоторых загрязняющих веществ К

Вещества и групповые показатели химического состава воды	Значения К ( 1/с) при температуре воды, °С
	менее 10	от 10 до 15	более 15
Азот аммонийный	0,23	0,35	0,58
Аминофенол	0,06	0,17	0,23
Алкилсульфонат (АС) без наполнителя	0,17	0,58	0,81
Алкилсульфонат керосиновый	0,02	0,07	0,12
Ацетанилид	0,07	0,23	0,35
Бензальдегид	0,46	1,74	2,55
Бензин	0,02	0,06	0,09
	0,12	0,23	0,35
	0,02	0,07	0,12
Гваякол	0,02	0,07	0,12
Гидрохинон	0,01	0,02	0,03
Глицерин	0,35	1,27	1,85
Дизельное топливо	0,02	0,06	0,09
Дисольван-4411	0,003	0,01	0,17
Капролактам	0,002	0,006	0,009
Карвакрол	0,009	0,03	0,05
Керосин	0,036	0,12	017
Кислота адипиновая	0,0323	0,12	0,12
Кислота бензинсульфоновая	0,05	0,17	0,23
Кислота бензойная	0,35	1,39	1,91
Кислота галловая	0,08	0,29	0,46
Кислота изофталевая	0,35	1,16	1,62
Кислота нафтеновая	0,07	0,23	0,35
Кислота сульфосалициловая	0,05	0,17	0,23
Кислота фталевая	0,35	1,10	1,56
м-Крезол	0,03	0,12	0,17
о-Крезол	0,03	0,12	0,17
п-Крезол	0,01	0,04	0,06
Крезол	0,03	0,12	0,17
Ксиленол	0,009	0,03	0,05
Мазут топочный	0,003	0,01	0,02
Мальтоза	0,12	0,35	0,58
Масло машинное	0,0	0,01	0,02
Масло соляровое	0,02	0,06	0,09
Ментол	0,08	0,23	0,35
Метафос	0,003	0,01	0,02
Метилмеркаптан	0,009	0,03	0,05
Метол	0,003	0,01	0,02
	0,02	0,06	0,09
	0,17	0,06	0,80
Нефтепродукты (обобщенные показатели)	0,0	0,03	0,05
Нитробензальдегид	0,05	0,12	0,23
Нитробензин	0,06	0,23	0,29
Нитрофенол	0,06	0,17	0,23
Оксонол-17	0,07	0,23	0,35
ОП-10	0,001	0,003	0,006
"Ордрам"	0,003	0,012	0,18
Паста-АС-1	0,18	0,59	0,83
Паста-АС-2	0,12	0,47	0,65
Паста-ДНС-1	0,03	0,12	0,18
"Прогресс"	0,08	0,29	0,41
"Сатурн"	0,52	1,85	2,60
Синтанол ВТ-7	0,06	0,18	0,23
Синтанол ДС-10	0,03	0,12	0,18
СПАВ (обобщенный показатель)	0,06	0,12	0,18
Спирты (амиловый, гептиловый, изобутиловый, метиловый, пропиловый, этиловый)	0,07	0,24	0,35
Сульфанол (всех марок)	0,003	0,012	0,017
Тимол	0,009	0,03	0,05
Тридекан	0,02	0,06	0,12
Уксусный альдегид	0,09	0,35	0,47
Фенол	0,07	0,24	0,35
Фенол (обобщенный показатель)	0,05	0,09	0,12
Формальдегид	0,23	0,81	1,16
Фосфорорганические пестициды (обобщенный показатель)	0,05	0,07	0,09
Фурфурол	0,09	0,29	0,41
Хлорорганические пестициды (обобщенный показатель)	0,01	0,01	0,02
ХПК	0,01	0,01	0,02
Хлорфенол	0,06	0,123	0,24
о-Хлоранилин	0,07	0,24	0,35
m-Хлоранилин	0,02	0,09	0,12
Целлюлоза	0,0006	0,002	0,002
"Ялан"	0,77	2,72	3,84

Коэффициенты продольной дисперсии для водотоков шириной равной и менее 10 м рекомендуется определять в соответствии с [9, 10] по формуле*(3)

, (22)

где - соответственно варианту расчета максимальная или средняя по сечению речного потока скорость течения воды на рассматриваемом участке реки, м/с;

и - соответственно средние глубина и ширина речного потока, м;

с - коэффициент Шези, .

Для водотоков с большей шириной русла

. (23)

В формулах (22), (23) (и далее по тексту) параметры со "звездочкой" обозначают, что используются средневзвешенные значения этих параметров с учетом протяженности ряда речных участков ниже аварийного сброса, существенно отличающихся по морфометрическим характеристикам речного русла.

5.3.3 Исходной информацией для прогностических расчетов являются данные об аварийном сбросе сточных вод, который происходит в условиях одного из следующих режимов:

а) , q = const;

б) , q = const;

в) , ;

г) , ;

где - концентрация загрязняющего вещества в сточных водах при аварийном сбросе, ;

q - расход сточных вод в период аварийного сброса, .

Кроме указанных выше, требуются данные о средних значениях характеристик речного потока с привязкой к соответствующим контрольным створам.

Если в сточных водах концентрация загрязняющего вещества была определена в растворе и на взвеси, то имеется возможность прогноза в контрольных створах речной сети ориентировочных концентраций этого вещества в аналогичных состояниях. Для выполнения таких расчетов дополнительно требуется информация о максимальном или среднем содержании взвешенных веществ в сточных водах, в фоновом створе реки выше аварийного сброса сточных вод, в устьях крупных притоков ниже аварийного сброса, а также в створах крупных рек выше впадения перемещающегося по речной сети потока высокозагрязненных вод. Если в исходных данных имеется информация только о валовом содержании загрязняющего вещества, то в заданных контрольных створах речной сети рекомендуется рассчитывать только валовое его содержание.

Примечание - Если в сточных водах имеется незначительное количество взвеси, то расчет с учетом форм миграции загрязняющего вещества можно проводить по исходным данным о его концентрациях в растворенном виде.

В рассматриваемом случае аварийного сброса загрязняющих веществ в водоток главное внимание должно быть уделено прогнозу значений характеристик максимально загрязненной струи в профилях зоны высокозагрязненных речных вод в заданных контрольных створах. В основу моделирования процесса можно положить формулы (17), (19), в которых вместо используется выражение

, (24)

где - концентрация загрязняющего вещества в N-м исходном достаточно малом сегменте (или периоде времени) распределения значений повышенных концентраций этого вещества в сточной воде в период аварийной ситуации, (см. рисунок 3);

- коэффициент, характеризующий разбавление сточных вод в водном объекте (в долях единицы N-го расхода, выделяемого в пределах периода аварийного сброса).

Для учета процессов смешения и разбавления высокозагрязненных вод в реке за основу была взята математическая модель, разработанная Г.В. Филькиным [11, 12]. Эта модель представляет собой аналитическое решение уравнения, описывающего процесс турбулентной дисперсии для двумерной задачи, вида

, (25)

где - коэффициент поперечной дисперсии;

С - концентрация загрязняющего вещества;

- средняя скорость течения воды в водотоке;

х и у - соответственно продольная и поперечная координаты.

Рекомендуемое уравнение для нахождения имеет вид

, (26)

где: ; (27)

если , то принимается ; (28)

если , то принимается ; (29)

- координата места сброса сточных вод в сечении реки (отсчет координаты по ширине реки от берега, к которому ближе место сброса сточных вод), м;

- N-й измеренный или предложенный для прогностического расчета расход сточной воды, по времени соответствующий наличию в сточной воде концентрации, равной , ;

- коэффициент, ограничивающий значение ширины реки при расчетах смешения речных вод в случае кратковременного сброса.

Для определения коэффициента поперечной дисперсии рекомендуется использовать формулы:

а) при наличии сведений о радиусе кривизны русла м, взятом как среднее значение для участка реки, расположенного ниже рассматриваемого места выпуска сточных вод (или впадения притока) и включающего 1-2 излучины, и максимальной из средних по створам глубины на рассматриваемом участке *(4):

; (30)

б) при отсутствии сведений о значениях и

. (31)

В формулах (30), (31) использованы обозначения:

g - ускорение свободного падения, равное 9,8 ;

М - коэффициент, зависящий от коэффициента Шези с (при 10 < с < 60 М = 0,7с + 6; при M = 48 = const);

- поправочный множитель, который для извилистых участков водотоков позволяет учитывать поперечную циркуляцию в потоке и его кинематическую неоднородность (для сравнительно прямых русел );

- коэффициент, характеризующий извилистость реки, представляющий собой отношение длины участка, измеренной по фарватеру, к длине этого же участка, измеренного по прямой. Для определения коэффициента можно использовать крупномасштабную карту.

Коэффициент вычисляют по уравнению

, (32)

где

, (33)

. (34)

5.3.4 Характеристики времени перемещения зоны высокозагрязненных вод (, , ) для рассмотренных двух случаев исходной информации об аварийной ситуации на водном объекте вычисляют следующим образом.

Время , через которое фронтальная часть зоны высокозагрязненных вод достигнет заданного контрольного створа реки, определяют по формуле

. (35)

Время и , через которое хвостовая часть и часть зоны с наиболее высокими концентрациями загрязняющего вещества достигнут заданного контрольного створа, рассчитывают по формулам:

, (36)

, (37)

. (38)

В формулах (35)-(38) использованы следующие обозначения:

- ожидаемое по прогнозу время, начиная с момента окончания опасной аварийной ситуации в исходном контрольном створе в реке или в месте сброса сточных вод, когда хвостовая часть зоны высокозагрязненных вод достигает заданного контрольного створа, с;

- ожидаемое по прогнозу время, начиная с момента начала опасной аварийной ситуации, когда часть зоны с максимально высокой концентрацией вещества достигает заданного контрольного створа реки, с;

, - соответственно номера сегментов, с которых фактически начинают наблюдаться значения продольного профиля распределения высоких и максимальных значений концентрации вещества в исходном контрольном створе (см. рисунок 3);

- номер сегмента, в котором по результатам прогностических расчетов впервые отмечалась концентрация, равная или более в продольном профиле распределения концентраций вещества в заданном контрольном створе;

- номер сегмента, в котором по результатам прогностических расчетов в последний раз имела место концентрация вещества, равная или более в продольном профиле распределения концентраций вещества в заданном контрольном створе;

- номер сегмента, в котором в последний раз отмечалась концентрация вещества, равная или более в исходном контрольном створе.

Все перечисленные характеристики времени перемещения зоны высокозагрязненных вод определяются для условий максимальной и средней скоростей течения речной воды. Для второго случая, выделенного по особенностям наличия исходной информации, выходными результатами прогностического расчета являются характеристики зоны высокозагрязненных вод в контрольном створе в максимально загрязненной струе.

5.3.5 "Узловыми" замыкающими контрольными створами речной сети ниже аварийного сброса сточных вод являются створы, где происходит впадение крупных притоков, существенно (более 20%) увеличивающих расход речной воды, а также створ в устье загрязняемой в результате аварии реки.

5.3.6 Если для сточных вод в период аварии и речной воде в контрольных створах имеется информация о количестве взвешенных веществ и сведения о содержании в них загрязняющего вещества, то в задачу прогностических расчетов может быть включено определение ориентировочного содержания загрязняющего вещества в растворенном виде и сорбированного на взвеси.

Примечание - Если содержание взвешенных веществ в сточных водах несущественно, то можно обойтись без сведений о содержании загрязняющего вещества на взвеси в сточных водах.

Для данной цели предварительно рассчитывают максимальную концентрацию взвешенных веществ в интересуемых контрольных створах. В каждом контрольном створе в качестве выбирают максимальное из полученных значений по формуле

, (39)

где - концентрация взвешенных веществ в речной воде выше сброса сточных вод, ;

- концентрация (желательно максимальная) взвешенных веществ в сточных водах в условиях аварийного сброса, ;

- коэффициент, характеризующий разбавление сточных вод в контрольном створе (в долях единицы для N-го расхода, выделяемого в пределах времени аварийного сброса).

Вычисляют содержание глинистых веществ в пелитовой фракции взвеси , , по формуле

, (40)

где - доля содержания глинистых веществ в пелитовой фракции взвеси; при отсутствии данных можно принять [2]:

а) для равнинных рек в межень , в половодье ;

б) для горных рек в межень , в половодье .

Ориентировочную максимальную емкость катионного обмена глинистых веществ , , определяют по формуле

, (41)

где - сорбционная емкость пелитовой фракции взвеси (при отсутствии данных в качестве среднего значения можно принять мг-экв/мг [3, 4]).

Вычисляют возможное максимальное содержание загрязняющего вещества на взвеси в пробе воды (в одном литре) , , по формуле

, (42)

где - эквивалентный вес иона загрязняющего вещества.

Проверяют условие

, (43)

где - максимальная концентрация загрязняющего вещества на взвешенных веществах в сточных водах в аварийный период.

Если условие соблюдается, то в качестве максимального содержания загрязняющего вещества на взвеси в пробе воды (в одном литре) принимается

, (44)

в противном случае

. (45)

В каждом расчетном сегменте определяют возможное содержание загрязняющего вещества на взвеси , , с использованием коэффициента распределения (коэффициенты распределения для некоторых веществ приведены в таблице 7) по формуле

, (46)

, (46а)

где и - рассчитанное валовое содержание загрязняющего вещества в заданном контрольном створе при соответствующей скорости течения речной воды.

Таблица 7 - Сведения о наиболее вероятной форме миграции некоторых загрязняющих веществ в воде водных объектов

Вещества	Доля вещества, %		Коэффициент распределения вещества на взвеси от общего его содержания в начальном растворе,
	в растворенном виде	на взвешенных веществах
Ванадий	30	70	0,7
ДДТ	1	99	0,99
Кобальт	5	95	0,95
Медь	30	70	0,7
Мышьяк	100	0	0
Никель	50	50	0,5
Полихлорированные бифенилы (ПХБ)	10	90	0,9
Ртуть	10	90	0,9
Свинец	5	95	0,95
Фосфорорганические пестициды	90	10	0,1
Хлорорганические пестициды	10	90	0,9
Цианиды	100	0	0
Цинк	20	80	0,8

Оценивают соблюдение условий

, (47)

, (47а)

если соответствующее условие не соблюдается, то в качестве берется .

Рассчитывают время, необходимое для стократного вертикального перемешивания масс речной воды , с, (данный параметр рассчитывается и используется только в пределах речного участка до первого "узлового" створа) по формуле

. (48)

Вычисляют коэффициент скорости сорбции на взвеси с учетом времени, необходимого для гарантированного контакта и перемешивания масс речной воды и взвеси, по формуле

. (49)

Окончательный прогностический расчет концентраций загрязняющего вещества в заданном контрольном створе в соответствующем сегменте распределения концентраций загрязняющего вещества, находящегося в растворенной форме , и сорбированного на взвеси , , , при наличии рассчитанных значений параметра проводят по формулам

, (50)

, (50а)

, (51)

. (51a)

В формулах (50), (51) при принимают .

При отсутствии значений параметра (например, на участках речной сети ниже первого "узлового" створа) расчет содержания загрязняющего вещества в растворенной форме выполняют по формулам:

, (52)

. (52a)

5.3.7 Во всех контрольных створах проверяется целесообразность дальнейших прогностических расчетов путем проверки условия

. (53)

В условии (53) в качестве используется максимальное содержание загрязняющего вещества в валовой форме. Если расчет выполняется без учета форм миграции вещества, то для проверки условия (53) используется максимальное содержание вещества в том виде, в котором оно введено в исходную информацию для прогностических расчетов.

Если условие (53) выполняется, то следует продолжать прогностические расчеты перемещения зоны высокозагрязненных вод по речной сети. Если условие (53) не выполняется, то их следует считать завершенными. Параметр в данном условии в зависимости от задачи расчета характеризует концентрацию валового содержания загрязняющего вещества в максимально загрязненной струе в контрольном створе или его содержание в форме, введенной в исходных данных. В выходных материалах в зоне высокозагрязненных вод дополнительно приводятся данные о минимальной концентрации загрязняющего вещества соответственно в валовой форме (в качестве этой концентрации принимается уровень ВЗ), в растворенном виде и сорбированном на взвеси состоянии (расчетные минимальные концентрации вещества в пределах зоны высокозагрязненных вод, выделенной по его валовому содержанию).

Для продолжения прогностических расчетов перемещения зоны высокозагрязненных вод ниже "узлового" контрольного створа проводится пересчет значений характеристик зоны, полученных в этом створе, в условно новый аварийный сброс с новыми значениями характеристик. При пересчете принимается, что

, (54)

, (55)

, (56)

, (57)

, (58)

где двумя "звездочками" отмечены характеристики условно нового аварийного сброса в "узловом" замыкающем контрольном створе. Пересчет по формулам (54)-(58) выполняется параллельно с учетом данных, полученных при максимальной и средней скоростях течения речной воды. Параметр в формуле (57) характеризует концентрацию загрязняющего вещества в N-м сегменте в растворенном виде, a - концентрацию этого вещества в валовой форме в N-м сегменте условно нового аварийного сброса.

Если на первом речном участке до "узлового" створа прогностический расчет проводился по характеристикам обнаруженной в реке зоны высокозагрязненных вод, то расход условно нового сброса в "узловом" створе составит

, (59)

где - расход воды в реке в "узловом" створе;

если рассматривался аварийный сброс сточных вод, то

. (59а)

Вид расчета на следующем речном участке зависит от выполнения условия

, (60)

где , , - средневзвешенные значения параметров на участке реки от "узлового" створа до заданного контрольного створа.

Если условие (60) выполняется, то принимается, что имеет место впадение в реку условно нового аварийного сброса. Если условие (60) не выполняется, то следует считать, что происходит впадение относительно чистого притока в загрязненную (сточную) реку. Расчет в последнем случае коэффициента разбавления в максимально загрязненной струе в заданном очередном контрольном створе реки следует выполнять по формуле

, (61)

где , (61a)

- коэффициент поперечной дисперсии, определяемый по формулам (30)-(31).

Для расчета параметра по формуле (19) выражение (24) должно быть заменено на

. (62)

5.3.8 В случае транспортной аварии, сопровождающейся разливом нефти или нефтепродукта, учитывая принятые допущения (см. 5.1.3), рекомендуется пользоваться следующими расчетными формулами.

Начальное содержание нефтепродуктов в речной воде в зоне высокозагрязненных вод вычисляют по формуле

, (63)

где - доля расхода речной воды, участвующая в разбавлении сброшенных нефтепродуктов;

- расход речной воды в контрольном створе ;

- время прохождения зоны высокозагрязненных вод через контрольный створ, с.

Примечание - При необходимости массу m можно рассчитать по объему W сброшенных нефтепродуктов

,

где - плотность нефтепродукта, (для нефти при отсутствии других данных можно принять р = 800 ).

Начальное количество нефтепродуктов в пленке , кг, непосредственно ниже аварийного сброса составит

. (64)

Предварительный прогностический расчет концентрации нефтепродуктов в заданных контрольных створах речной сети выполняют по алгоритму, используемому в ситуации, когда обнаружена зона высокозагрязненных вод в начальном контрольном створе реки (см. формулы (16)-(18)).

Расчет массы нефтепродуктов, ушедшей из пленки нефти в результате процессов биохимического окисления на участке реки от места сброса до заданного контрольного створа, выполняют по формуле

, (65)

где - время добегания водных масс и пленки нефти от места аварии до заданного контрольного створа, с.

K - коэффициент скорости биохимического окисления нефтепродуктов, 1/с.

Вычисление массы нефтепродуктов, ушедшей из нефтяной пленки в результате процессов испарения легких фракций нефтепродуктов , проводят по формуле

, (66)

где

при с принимают, что с; (67)

при с принимают, что . (67а)

Примечание - Для мазута, смазочных масел и керосина 1/с.

Масса нефтепродуктов, ушедшая из пленки в воду , составит

, (68)

где - коэффициент скорости перехода нефтепродуктов из пленки в воду, 1/с.

Концентрацию нефтепродуктов, перешедшую из пленки в воду , которую необходимо добавить в каждом расчетном сегменте контрольного створа к концентрациям , предварительно полученным в результате расчета распространения по речной сети загрязняющего вещества (нефтепродукта) с учетом продольной дисперсии и самоочищения речной воды (см. 5.3.2), определяют по формуле

. (69)

Концентрацию нефтепродуктов , перешедшую из воды в пленку, которую необходимо вычесть в каждом расчетном сегменте в контрольном створе от предварительно рассчитанной концентрации , определяют по формуле

; (69а)

где - коэффициент скорости выделения (возвращения) растворенного загрязняющего вещества из воды в пленку, с.

Окончательная величина концентрации загрязняющего вещества в контрольном створе в каждом расчетном сегменте составит

. (70)

Массу нефтепродуктов, ушедшую из воды в пленку , для каждого сегмента определяют в соответствии с выражением

, (71)

где - число расчетных сегментов, взятых для описания распределения значений концентраций нефтепродуктов в зоне высокозагрязненных вод.

Всю массу нефтепродуктов, ушедшую из воды в пленку, вычисляют как сумму масс по всем сегментам зоны высокого загрязнения в контрольном створе

. (72)

Общая масса пленки нефти в контрольном створе составит

. (73)

Примечание - Все расчеты по формулам (63)-(73) выполняются параллельно с учетом средней и максимальной скоростей течения речной воды.

5.3.9 В случае транспортной аварии, сопровождающейся сбросом загрязняющего вещества в виде сыпучего технического продукта, учитывая принятые допущения (см. 5.1.4), рекомендуется пользоваться следующим алгоритмом расчета.

5.3.9.1 Проверяют условие:

. (74)

При выполнении условия (74) осуществляется переход к 5.3.9.2; в противном случае - переход к 5.3.9.4.

5.3.9.2. Вычисляют ориентировочный минимальный расход аварийного сброса технического продукта (расход начальной загрязненной речной струи, представляющей собой смесь речной воды и сброшенного технического продукта), , по формуле

, (75)

где W - исходный объем сброшенного в реку технического продукта, .

Примечание - Здесь использовано предположение, что сбрасываемый при аварии сыпучий технический продукт со сравнительно невысоким удельным весом при начальном смешении с речной водой увеличивает свой объем как минимум вдвое; при наличии более точных данных коэффициент, равный двум, может быть откорректирован; ориентировочное время поступления продукта в реку берется в секундах.

5.3.9.3 Рассчитывают концентрацию рассматриваемого загрязняющего вещества, в исходной смеси речной воды и технического продукта , , по формуле

. (76)

где m - исходная масса сброшенного в реку технического продукта, кг;

- доля загрязняющего вещества в техническом продукте (в долях от единицы);

- доля сброшенного в реку сыпучего технического продукта, находящегося в изолированном для растворения виде.

Примечание - Для относительно легких слаборастворимых и нерастворимых веществ полученное по формуле (76) значение будет характеризовать суммарное их содержание в воде во взвешенном и растворенном состоянии.

Далее осуществляется переход к 5.3.9.15.

5.3.9.4 Оценивают условие: если вещество является растворимым (есть данные о растворимости вещества), то делается переход к 5.3.9.5; в противном случае вещество для прогностического расчета не рассматривается (оно будет находиться на дне в виде отложений или перемещаться в виде донных наносов).

5.3.9.5 Рассчитывают ориентировочную максимальную концентрацию загрязняющего вещества в образующемся водном растворе над попавшем на дно реки техническим продуктом , , по формуле

, (77)

где Р - растворимость в воде сброшенного в реку технического продукта в сухом виде, ;

- эмпирический коэффициент, характеризующий используемую долю от растворимости вещества при прохождении речной воды над отложениями технического продукта; при отсутствии данных для ориентировочного расчета принимается, что при Р = 500 ; при Р от 500 до 50 ; при Р св. 50 .

5.3.9.6 Вычисляют коэффициент Шези для участка река в районе аварии (на первом характерном участке реки ниже места аварии) по формулам:

- при наличии данных о гидравлическом уклоне

, (78)

- в противном случае, при отсутствии значений ,

, (79)

где R - значение гидравлического радиуса потока, м; для летних условий ;

- коэффициент шероховатости ложа реки, определяемый для летнего периода по таблицам 2, 3, для зимнего - по таблице 8;

z - коэффициент, вычисляемый по формуле

. (80)

В формулах (78)-(80) , , , - параметры речного потока на первом выделенном речном участке ниже аварийного сброса загрязняющего вещества.

5.3.9.7 Расчет придонной скорости на первом выделенном речном участке , м/с проводят по формуле А.В. Караушева [15]

. (81)

Таблица 8 - Значения коэффициента шероховатости нижней поверхности льда [10]

Число дней после ледостава
до 10	0,150-0,050
10-20	0,100-0,040
20-60	0,050-0,030
60-80	0,040-0,015
80-110	0,025-0,010
Примечание - Для подпертых речных бьефов данные 1-й и 2-й строк, отвечающие рекам в бытовых условиях, следует уменьшить на 15%, 3-й и 4-й строк - на 35%. Меньшие значения характерны для гладкого ледяного покрова, большие - для ледяного покрова с торосами и шугой.

5.3.9.8 Вычисляют несдвигающую зерна технического продукта скорость воды на первом выделенном речном участке , м/с [15]:

,

где - плотность загрязняющего вещества, ;

- плотность воды в водном объекте (для ориентировочных прогнозов можно принять );

- примерная крупность частиц сброшенного в сухом виде технического продукта, м (при отсутствии данных можно принять м);

g - ускорение свободного падения, равное 9,8 .

5.3.9.9. Проверяют условие, характеризующее устойчивость отложений технического продукта на дне реки,

. (83)

Если условие соблюдается, то осуществляется переход к 5.3.9.10; в противном случае - к 5.3.9.12.

5.3.9.10 Определяют расчетный расход загрязненной струи, образующейся над отложениями технического продукта , , по формуле

, (84)

где - примерная ширина реки, которую занимает (или может занять) в исходном створе реки сброшенный в сухом состоянии технический продукт, м (при отсутствии данных условно можно принять м).

5.3.9.11 Вычисляют ориентировочное время растворения технического продукта, находящегося на дне реки (условное время аварийного поступления вещества в речной поток) :

. (85)

5.3.9.12 Определяют показатель турбулентности зерен технического продукта [16]:

, (86)

где - гидравлическая крупность частиц (зерен) технического продукта (определяется по таблицам приложения Г).

5.3.9.13 Рассчитывают ориентировочную максимальную высоту подъема частиц (зерен) технического продукта со дна [16]:

, (87)

где - поправочный множитель, определяемый на основе эмпирических данных о распределении частиц технического продукта по глубине при соответствующей аварийным условиям средней скорости течения речной воды в месте аварии (при отсутствии данных для ориентировочных расчетов условно можно принять ).

Примечание - При принимают .

5.3.9.14 Определяют ориентировочный расчетный расход загрязненной струи, образующейся над отложениями технического продукта , :

(88)

Примечание - В формуле (88) коэффициент 0,25 учитывает тот факт, что наибольшая плотность "взмученных" частиц взвеси имеет место в пределах 1/4 максимальной высоты их подъема.

5.3.9.15 Далее расчеты выполняются в соответствии с 5.3.6-5.3.7.

5.3.10 Для транспортной аварии, сопровождающейся сбросом загрязняющего вещества в виде жидкого технического продукта, учитывая принятые допущения (см. 5.1.4), прогностические расчеты рекомендуется выполнять по следующему алгоритму.

Примечание - В данной задаче не рассматривается сброс технического продукта в виде аномальных неньютоновских жидкостей (пластичные, псевдопластичные, дилатантные, вязко-упругие жидкости, например, масляные краски, сточные грязи, глинистые растворы, смолы, битумы).

5.3.10.1 Проверяют условие:

. (89)

При выполнении условия (89) осуществляется переход к 5.3.10.2; в противном случае - переход к 5.3.10.5.

5.3.10.2 Если расход сточных вод, концентрация загрязняющего вещества в них и время аварийного сброса известны, то осуществляется переход к 5.3.10.17, в противном случае - к 5.3.10.3.

5.3.10.3 Выполняют необходимые дополнительные расчеты в случае отсутствия в исходных данных об аварии объема или массы сброшенного технического продукта в жидком виде по формулам:

а) при отсутствии данных об объеме продукта

; (90)

б) при отсутствии данных о массе продукта

, (91)

где - плотность продукта, .

5.3.10.4 Для аварийного сброса технического продукта в жидком виде рассчитывают начальные ориентировочные значения расхода и концентрации загрязняющего вещества по формулам:

, (92)

. (93)

Примечание - Сведения о примерной продолжительности аварийного сброса должны быть известны по исходным данным.

Далее осуществляется переход к 5.3.10.16.

5.3.10.5 Определяют ориентировочное значение коэффициента Шези для потока "тяжелой жидкости" на речном участке непосредственно ниже аварийного сброса по формуле

, (94)

где - ориентировочная глубина начального потока "тяжелой жидкости";

- коэффициент шероховатости ложа реки, определяемый по таблице 2 или 3;

- коэффициент, вычисляемый по формуле

. (95)

5.3.10.6 Если расход потока "тяжелой жидкости" известен, то осуществляется переход к 5.3.10.7, в противном случае - к 5.3.10.8.

5.3.10.7 Вычисляют ориентировочные значения средней и максимальной - скоростей перемещения "тяжелой жидкости" в русле реки по формулам:

, (96)

. (97)

Далее осуществляется переход к 5.3.10.10.

5.3.10.8 Вычисляют ориентировочные начальные значения средней и максимальной скоростей перемещения "тяжелой жидкости" в русле реки по формулам:

, (98)

, (99)

где - уклон русла реки на первом характерном речном участке ниже аварийного сброса, ;

0,001 - коэффициент пересчета значений уклона русла реки, измеренного в промиллях.

5.3.10.9 Определяют ориентировочное начальное значение расхода "тяжелой жидкости" в русле реки по формуле

. (100)

5.3.10.10 Вычисляют примерную продолжительность аварийного сброса "тяжелой жидкости" по формуле

. (101)

5.3.10.11 Проверяют условие

. (102)

Если условие (102) соблюдается, что указывает на гарантированное перемещение "тяжелой жидкости" по песчано-илистому дну русла реки без существенного смешения с речной водой, то осуществляется переход к 5.3.10.12, в противном случае - к 5.3.10.16.

5.3.10.12 В рассматриваемом случае "тяжелая жидкость" будет перемещаться по дну реки практически не смешиваясь с речными водами. Растворение технического продукта в речной воде возможно только в результате процессов молекулярной диффузии. Учет последних в связи со слабым эффектом перехода вещества из "тяжелой жидкости" в поток речной воды и сравнительно непродолжительным временем аварийных условий нецелесообразен. "Тяжелая жидкость" будет перемещаться по дну реки до мест ее "разгрузки": запруженные плотинами речные участки или плесы, имеющие практически непроточные придонные участки. Задача прогностического расчета здесь заключается в расчете ориентировочного времени перемещения фронтальной части "тяжелой жидкости" до заданного створа речной сети.

Примечание - Изменение указанной ситуации возможно только при наличии на реке перекатов с интенсивным перемешиванием всей массы речной воды.

5.3.10.13 Расчет ориентировочного времени перемещения "тяжелой жидкости" на речном участке между исходным и заданным контрольными створами выполняют по формулам:

, (103)

, (104)

где ; - соответственно максимальное и минимальное значения .

5.3.10.14. Расчет ориентировочных значений коэффициентов продольной дисперсии для "тяжелой жидкости" при средней и максимальной скоростях течения этой жидкости выполняют по формулам:

а) при м, (105)

, (106)

; (107)

б) при (108)

, (109)

, (110)

где , - соответственно максимальное и минимальное значения коэффициента продольной дисперсии, .

5.3.10.15 Прогностический расчет ориентировочного времени перемещения фронтальной части "тяжелой жидкости" от места аварийного сброса до заданного контрольного створа реки (в секундах) при соответствующих скоростях ее перемещения выполняют по формулам:

, (111)

. (112)

На этом данная ветвь расчета заканчивается.

5.3.10.16 Расчет ориентировочного коэффициента поперечной дисперсии для "тяжелой жидкости":

, (113)

где g = 9,8 ;

- коэффициент, зависящий от коэффициента Шези ;

при ;

при ).

5.3.10.17 Далее позиции алгоритма не отличаются от указанных в 5.3.6-5.3.7. Исключением является только требование использования коэффициентов поперечной дисперсии для определения коэффициента смешения "тяжелой жидкости" с речной водой (формулы (26), (61)), поскольку процесс (скорость) перемешивания "тяжелой жидкости" с речной может лимитироваться условиями турбулентности в этой жидкости.

5.3.11 Особым вариантом прогностических расчетов можно считать случай, когда в качестве исходной информации имеются только данные о местоположении и времени начала аварийного поступления загрязняющих веществ в водный объект.

В такой ситуации целесообразно определение гарантированного минимального и максимального времени перемещения фронтальной части зоны высокозагрязненных вод до заданного контрольного створа по формулам:

, (114)

, (115)

где - параметр , полученный с использованием значений , a - с использованием значений .

При использовании формул (114) и (115) принимается, что в заданном контрольном створе в любой момент времени .

6 Представление результатов прогнозных расчетов

По результатам прогностических расчетов распространения зоны высокозагрязненных вод по речной сети в качестве выходных результатов расчета представляются основные характеристики этой зоны по отдельным загрязняющим веществам. В качестве примера представления результатов прогностических расчетов может служить таблица 9.

7 Организация проведения трассерных экспериментов

7.1 Задачи и этапы трассерных экспериментов

Трассерные эксперименты рекомендуется использовать для решения следующих задач:

- оконтуривание возможного распространения зон высокого загрязнения речных вод путем имитации на водном объекте возможных аварийных ситуаций, в том числе от конкретных промышленных предприятий;

Таблица 9 - Пример представления результатов прогностического расчета характеристик зоны высокозагрязненных вод в заданных контрольных створах по речной сети ниже места аварии

Местоположение аварийного сброса: 30 км от устья реки А (Свинцово-цинковый комбинат города N)

Загрязняющее вещество: цинк

Использованный уровень высокого загрязнения: 0,100 мг/л

Номер створа	Учитываемая скорость течения	Дата и время появления фронтальной части	Дата и время появления хвостовой части	Продолжительность прохода высокозагрязненных вод	Дата и время появления максимальной концентрации	Максимальная концентрация,	Минимальная концентрация,
По валовому содержанию загрязняющего вещества
0	-	18.07.2007 11 ч 00 мин	18.07.2007 14 ч 00 мин	2 ч 00 мин	18.07.2007 13 ч 00 мин	6,000	4,350
1	Максимальная	18.07.2007 20 ч 11 мин	19.07.2007 00 ч 18 мин	4 ч 07 мин	18.07.2006 22 ч 48 мин	0,580	0,305
1	Средняя	18.07.2007 22 ч 50 мин	19.07.2007 02 ч 00 мин	3 ч 10 мин	19.07.2007 00 ч 00 мин	0,516	0,205
2	Максимальная	19.07.2006 16 ч 6 мин	19.07.2006 23 ч 55 мин	7ч 49 мин	19.07.2006 19 ч 26 мин	0,392	0,143
2	Средняя	19.07.2007 20 ч 40 мин	20.07.2007 03 ч 30 мин	5 ч 50 мин	19.07.2007 22 ч 00 мин	0,348	0,100
По содержанию загрязняющего вещества в растворенном виде
1	Максимальная	18.07.2007 20 ч 11 мин	19.07.2007 00 ч 18 мин	4 ч 07 мин	18.07.2006 22 ч 48 мин	0,418	0,052
1	Средняя	18.07.2007 22 ч 50 мин	19.07.2007 02 ч 00 мин	3 ч 10 мин	19.07.2007 00 ч 00 мин	0,343	0,031
2	Максимальная	19.07.2006 16 ч 6 мин	19.07.2006 23 ч 55 мин	7 ч 49 мин	19.07.2006 19 ч 26 мин	0,299	0,026
2	Средняя	19.07.2007 20 ч 40 мин	20.07.2007 03 ч 30 мин	5 ч 50 мин	19.07.2007 22 ч 00 мин	0,200	0,018
По содержанию загрязняющего вещества на взвеси
1	Максимальная	18.07.2007 20 ч 11 мин	19.07.2007 00 ч 18 мин	4 ч 07 мин	18.07.2006 22 ч 48 мин	0,453	0,126
1	Средняя	18.07.2007 22 ч 50 мин	19.07.2007 02 ч 00 мин	3 ч 10 мин	19.07.2007 00 ч 00 мин	0,433	0,104
2	Максимальная	19.07.2006 16 ч 6 мин	19.07.2006 23 ч 55 мин	7 ч 49 мин	19.07.2006 19 ч 26 мин	0,339	0,096
2	Средняя	19.07.2007 20 ч 40 мин	20.07.2007 03 ч 30 мин	5 ч 50 мин	19.07.2007 22 ч 00 мин	0,300	0,090
Примечание - Расположение контрольных створов: N 0-32 км от устья р. А (створ сброса сточных вод свинцово-цинкового комбината города N); N 1 - устье р. А (32 км ниже аварийного сброса); N 2 - устье р. М (87 км ниже аварийного сброса).

Расчеты выполнил __________________________                  ____________________________

                           Подпись                               Расшифровка подписи

- уточнение или получение осредненных данных для конкретных участков рек морфометрических и гидродинамических параметров, используемых в прогнозных расчетах по математическим моделям;

- маркировка (мечение) хвостовой части зоны высокозагрязненных вод, образовавшихся в результате аварийного сброса сточных вод, для целей надежной регистрации в створах контроля окончания аварийной ситуации.

Для перечисленных задач целесообразно использовать искусственные трассеры, удовлетворяющие следующим основным условиям:

- они должны быть безопасными в санитарно-гигиеническом и экологическом отношении;

- обладать устойчивостью в течение длительного времени в толще воды водного объекта и определяться с помощью несложных методов при наличии различных помех;

- иметь невысокую стоимость;

- обеспечивать их определение в воде при весьма малых концентрациях;

- не должны изменять (ухудшать) физические свойства воды водного объекта.

Всем этим требованиям удовлетворяют флуоресцентные трассеры-маркеры, приготавливаемые из инертных полимерных материалов, невзаимодействующих с водной средой. По разработанной в ГХИ методике такие трассеры регистрируются в воде в условиях очень больших разбавлений (при значениях кратности разбавления до ).

Основными этапами выполнения трассерного эксперимента, имитирующего аварийную ситуацию, являются:

- изучение особенностей объекта исследований и разработка схемы эксперимента;

- приготовление индикаторов с заданными характеристиками;

- проведение гидрометрических работ;

- введение трассера в исследуемый водный объект по сценарию имитации аварийного сброса сточных вод;

- отбор проб воды по заданной схеме;

- количественное определение трассера в отобранных пробах и обработка полученной информации.

7.2 Изучение особенностей объекта исследований и разработка схемы эксперимента

Первый этап трассерных экспериментов, независимо от конкретных задач эксперимента, включает детальное ознакомление с имеющимися данными, характеризующими объект исследования. Этот этап, в случае необходимости, включает: рекогносцировочное обследование участка проведения работ, в результате которого устанавливают ориентировочные скорости течения речных вод; определение расстояния между интересуемыми точками и створами; выбор створов, вертикалей и горизонтов отбора проб; составление схемы отбора проб и перемещений поперек и вдоль водного объекта; выявление возможных мешающих определению трассеров условия (наличие пленки нефтепродуктов, большое количество мелких водорослей или взвешенных веществ) и т.д. Чрезвычайно важной является и ориентировочная оценка (расчет) ожидаемых кратностей разбавления трассерного вещества в местах отбора проб. Последнее необходимо для того, чтобы при проведении трассерного эксперимента в отобранных пробах концентрации индикатора были достаточными для его надежного количественного определения.

7.3 Приготовление индикаторов с заданными характеристиками

После того, как спланирована общая схема эксперимента, определяют необходимые, различающиеся между собой по спектру флуоресценции, индикаторы, а также их стартовые объемы, выбирают необходимую плотность и размеры частиц, условия транспортировки индикаторов и т.п. В лабораторных условиях приготавливают высококонцентрированные препараты с необходимыми свойствами в нужных объемах*(5).

В практической работе хорошо зарекомендовали себя жидкие препараты в виде высококонцентрированных стабилизированных суспензий. Они дешевле, легче дозируются, разбавляются (распускаются) при приготовлении стартовых концентраций индикатора.

Недостатком этих препаратов является дополнительная масса. Наиболее оптимальным является такое соотношение в 10 л суспензии: 40 г сухого препарата трассера.

Приготовление рабочей суспензии трассера рекомендуется производить непосредственно перед ее применением путем разбавления (распускания) исходного концентрированного препарата в необходимом количестве воды. Для приготовления трассера используют воду того водного объекта, где проводится эксперимент. Если эта вода сильно загрязнена нефтепродуктами, взвешенными веществами, то для приготовления рабочей суспензии можно использовать другую, менее загрязненную воду. Для приготовления стартового объема концентрированный препарат разбавляют прямо в емкости дозирующего устройства (рисунок 4).

Примерную необходимую для проведения эксперимента концентрацию трассера рассчитывают исходя из планируемых объемов сбрасываемого раствора трассера и ожидаемых в контрольном створе на водном объекте (по максимуму) концентраций частиц трассера.

7.4 Проведение гидрометрических работ

В объем гидрометрических работ входит:

- измерение значений расхода, сбрасываемого в водный объект, раствора трассера либо расхода потока сточных вод, в который произведено введение трассера в течение всего периода имитации аварийного сброса;

- измерение морфометрических характеристик, скорости течения и расхода воды в речном потоке в контрольных створах перед экспериментом или в период имитации аварийного сброса сточных вод.

7.5 Введение трассера в исследуемый водный объект

Режим введения трассера в исследуемый водный объект зависит от конкретной схемы эксперимента.

В случае имитации аварийного сброса сточных вод конкретного предприятия, введение трассера проводят в сточные воды этого предприятия в режиме аварийной ситуации:

- выбирается несколько вариантов продолжительности имитируемого аварийного сброса (трассеры, отличающиеся по окраске, сбрасывают одновременно или по очереди, но с разной продолжительностью инжекции);

- выбирается вид распределения во времени сбрасываемых объемов раствора трассеров (целесообразно, чтобы он соответствовал наиболее вероятностным условиям потенциально возможного аварийного сброса).

Имитацию аварийного сброса можно выполнять и путем инжекции трассера непосредственно в водный объект в заданной точке сечения водного потока.

Возможность использования достаточно больших стартовых концентраций трассера в сочетании с высокой чувствительностью метода его количественной регистрации в водном объекте позволяет применять несложные дозирующие устройства. Учитывая необходимость работы в различных режимах инжекции трассера и широкий диапазон пространственных масштабов водных объектов, где могут проводиться трассерные эксперименты, рекомендуется использовать универсальное дозирующее устройство (см. рисунок 4), позволяющее проводить введение трассера в заданном режиме практически в любой водный объект, в том числе непосредственно в поток сточных вод. Для работы дозирующего устройства не требуется энергопитание. Объем накопительной емкости дозирующего выпускного устройства составляет 0,2 , что является оптимальным для проведения трассерных исследований на самых разных водных объектах. Если по условиям моделирования требуются большие расходы сбрасываемых сточных вод, то в указанное оборудование должен быть включен электрический насос, с помощью которого можно подавать к смесителю дополнительные объемы воды из водного объекта.

В дозирующем устройстве с помощью сменной шайбы 8, имеющей калиброванное отверстие, можно регулировать напор воды, который определяется глубиной расположения водного отверстия шланга . При необходимости введения трассера в режиме многоточечной инжекции шланг 3 заменяют кабель-шлангом, состоящим из 10-20 тонких полихлорвиниловых трубок, по которым осуществляется независимое введение трассера в различные точки сечения потока. Устанавливая соответствующим образом шайбу 8, можно реализовать схему введения трассера с учетом расхода воды в каждой точке введения (режим взвешенной многоточечной инжекции).

Иногда по условию эксперимента требуется использование так называемого метода внедрения объема индикатора в исследуемый водный поток. В этом случае объем индикатора вводят (внедряют) в заданную точку сечения водного потока (имитация залпового сброса при транспортной аварии). Для реализации этого метода целесообразно использовать разработанное в ГХИ простое техническое приспособление, схема которого представлена на рисунке 5. С помощью двух штанг 1, одна из которых закреплена вертикально в носовой (кормовой) части лодки (катера) 9, системы растяжек 7 и груза 6 поплавок 3 с закрепленной на нем накопительной емкостью 2 устанавливают на нужной глубине водного объекта. Накопительную емкость изготавливают из полиэтиленового рукава необходимой вместимости. Верхний конец накопительной емкости закреплен на тяжелом металлическом кольце 5 и возвышается над поверхностью воды на 15-20 см. После того, как система смонтирована, в накопительную емкость наливают индикатор, затем лодка (катер) вместе с оборудованием дрейфует к необходимой точке введения трассера. В нужный момент времени, с помощью фиксатора 8 освобождают конец верхнего шнура, удерживающего тяжелое металлическое кольцо 5. Кольцо 5 падает на поверхность поплавка 3, увлекая за собой полиэтиленовый рукав. При этом стартовый объем трассера, имеющий первоначально форму цилиндра, утрачивает ограничивающую его боковую поверхность и становится участником того сложного движения водного потока, которое имеет место на данном участке водного объекта.

7.6 Отбор проб воды на водном объекте

Концентрация трассера определяется лабораторным путем с использованием отобранных проб воды. При этом отбор проб воды для определения концентрации трассера является одним из важнейших элементов трассерного эксперимента на водном объекте. От того, насколько правильно спланирован и осуществлен отбор проб, зависит репрезентативность полученных в результате исследования данных.

Вначале отбор проб воды проводят в имитируемом источнике аварийного сброса сточных вод. Если трассер предстоит сбрасывать непосредственно в водный объект, то достаточно одного отбора пробы воды непосредственно в дозирующем устройстве. Если сброс трассера будет осуществляться в поток сточных вод, то для получения профиля распределения концентраций трассера в сточной воде проводят отбор ряда проб в течение всего периода имитации аварийного сброса сточных вод.

На водном объекте используют те или иные разновидности двух основных схем отбора проб воды:

1) отбор проб в контрольных створах с целью наблюдения за основными характеристиками перемещающейся зоны загрязненных вод через эти створы;

2) отбор проб по сетке станций с целью наблюдения за пространственно-временной эволюцией шлейфа меченых трассером водных масс в водном объекте.

Первую схему отбора проб используют, как правило, на водотоках и проточных водоемах, а вторую - на малопроточных, непроточных водоемах или водоемах со сложной структурой течений.

Для реализации отбора проб воды по первой схеме используют технические средства одномоментного отбора проб во всех назначенных точках сечения потока (рисунок 6). Для этой цели в заданных створах поперек водотока натягивают капроновый трос, к которому крепят небольшие пенопластовые поплавки. Число поплавков и место их установки должны соответствовать числу и местоположению вертикалей отбора проб. На поплавки подвешивают гирлянды приспособлений для отбора проб, которые представляют собой отрезки капронового шнура длиной, несколько меньшей, чем глубина водотока на данной вертикали, с закрепленными на них емкостями для отбора проб воды. Верхний конец шнура гирлянды крепят на основном тросе, а к нижнему - прикрепляют груз. В качестве емкостей для отбора проб используют полиэтиленовые бутыли вместимостью от 0,25 до 1 л. Число и местоположение бутылей в гирлянде должны соответствовать числу и положению точек отбора проб на данной вертикали. Бутыли для отбора закрывают специальными пробками со вставленными в них двумя стеклянными трубками 7 разной длины (см. рисунок 6). Изменяя диаметр трубки, через которую происходит забор воды, можно изменять время наполнения бутылей. Обычно это время выбирают равным не менее 2 мин.

Приготовленная для отбора проб система в нужный момент времени резким движением вверх одного из концов основного троса приводится в действие. При этом поплавки одновременно переворачиваются, и все гирлянды под действием грузов устанавливаются на вертикалях.

По истечении времени наполнения бутылей первый отбор проб считается завершенным. Для следующего (очередного) отбора проб бутыли в гирляндах заменяются на новые. Гирлянды устанавливают на плотиках и отбор проб в заданное время повторяют.

Такие же пробоотборники, гирлянды приспособлений для отбора проб воды только без натягивания основного троса, используют и при проведении трассерных экспериментов на водоемах. В этом случае гирлянды, закрепленные на поплавках, сбрасывают с идущего по заданному разрезу судна. После наполнения бутылей на обратном пути судна пробоотборники поднимают на борт.

Если гидродинамические условия водного объекта таковы, что пространственно-временная эволюция шлейфа происходит достаточно медленно, можно использовать быстроработающий батометр. В этом случае должны быть обеспечены условия надежной промывки батометра чистой проточной водой. Сроки отбора проб воды назначают по результатам прогностического расчета по математической модели. Начало отбора должно соответствовать минимальному времени прихода фронтальной части зоны высокозагрязненных вод (т.е. с учетом значений , окончание - максимальному времени прихода хвостовой части зоны загрязненных вод (с учетом значений ). Для визуального ориентировочного контроля за зоной высокозагрязненных вод в месте введения трассера в водный объект в начале и конце имитируемого аварийного сброса можно бросить наборы поплавков, каждый из которых снабжен притопленным грузом для устойчивости поплавка против ветра. За время прохождения зоны высокозагрязненных вод через створ реки общее число отборов проб во времени должно составлять не менее 10-15. При наличии поплавков 3-4 отбора проб делают до их прихода и столько же после прихода поплавков, замыкающих аварийную ситуацию.

Для длительного хранения (более трех суток) пробы консервируют хлороформом (2-4 мл на 1 л воды).

7.7 Количественное определение трассера в отобранных пробах и обработка полученной информации

Количественное определение трассера в пробах воды основано на фильтрации измеренного объема воды через мембранный фильтр с размерами пор, меньшими, чем диаметры частиц трассера, и последующем подсчете числа частиц в поле зрения люминесцентного микроскопа (микроскопирование). Пробы фильтруют таким образом, чтобы исключить возможность загрязнения рабочей поверхности мембранного фильтра. Отобранную пробу воды тщательно взбалтывают и через мембранный фильтр с диаметром пор 0,45 мм фильтруют в колбу Бунзена определенный (фиксируемый) объем воды. Оптимальной для анализа, является такая плотность числа частиц, когда на поверхности мембранного фильтра диаметром 12 мм, содержится от 300 до 500 частиц. Если концентрации трассера в пробах мала, фильтрацию ведут до тех пор, пока процесс дальнейшей фильтрации не станет затруднительным вследствие кольматации фильтра. Залитый в воронку объем воды фильтруют до конца, и на этом процесс фильтрации заканчивают. Фильтровальную воронку осторожно, чтобы не загрязнить фильтр, развинчивают, и фильтр переносят на предметное стекло. Сверху фильтр плотно прижимают покровным стеклом, после чего предметное и покровное стекла фиксируют на торцах липкой лентой. Полученный препарат трассера маркируют фломастером и в таком состоянии он может быть микроскопирован сразу или храниться неопределенное время. Фильтрат из колбы Бунзена переливают в мерный цилиндр, где измеряют его объем.

Микроскопирование препарата трассера на предметном стекле осуществляют с помощью люминесцентного микроскопа при возбуждении флуоресценции сине-фиолетовыми лучами (светоделительная пластина 360-440 нм со светофильтром ФС-1-4). В качестве запирающего светофильтра используют ЖС18+ЖС19. Как правило, подсчет частиц трассера проводят с помощью объектива -10x0,4 и окуляров 1,1x7. При необходимости возможно использование объектива 40x0,65Л, а также других окуляров. В поле зрения люминесцентного микроскопа частицы трассера легко идентифицируются даже при наличии посторонних частиц по яркости, цвету флуоресценции, а также по размерам и форме частиц.

Перед началом подсчета серии близких по концентрациям проб приготавливают серию предварительных проб с различной кратностью разбавления, анализ которых позволяет установить оптимальный объем фильтрации.

На основе просчитывания полей зрения вычисляют среднее число частиц в поле зрения.

Число частиц N в единице объема, , рассчитывают по формуле

, (116)

где S - площадь поверхности фильтра, ;

V - объем профильтрованной воды, ;

n - среднее число частиц в одном поле зрения;

а - площадь зрения, .

Иногда необходимо уже в ходе самого эксперимента получить, хотя бы ориентировочно, картину распределения трассера на исследуемой акватории. Это бывает связано, как правило, с необходимостью внесения корректировок в пространственно-временную схему отбора проб воды на основе уточненной информации о фактической эволюции шлейфа распространения трассера. В этом случае часть проб фильтруют здесь же в ходе выполнения эксперимента, и эти фильтры сразу микроскопируют. При этом в целях экономии времени просматривают не всю поверхность фильтра, а только ее часть. Естественно, что в этом случае необходимо обеспечить постоянство отношения просматриваемой части поверхности фильтра к его общей поверхности. Наиболее просто это реализуется путем просчитывания полей зрения по двум перпендикулярным диаметрам фильтра.

8 Использование результатов наблюдений на водном объекте для корректировки прогностических данных

8.1 Полученные результаты наблюдений в контрольных створах за перемещением по речной сети зоны высокозагрязненных вод могут быть использованы для корректировки исходной информации о речном потоке и результатов прогноза.

Корректировка исходной информации должна проводиться в следующей последовательности: вначале корректируется скорость перемещения середины зоны высокозагрязненных вод, затем процедура получения максимальной концентрации загрязняющего вещества, далее уточняется расчет времени прибытия в контрольный створ фронтальной и хвостовой части этой зоны. После перечисленного в зависимости от особенности поступления загрязняющего вещества в водный объект может быть скорректирован расчет содержания загрязняющего вещества по формам его миграции.

8.2 Первой весьма важной характеристикой, требующей корректировки, является скорость перемещения по речной сети высокозагрязненных масс воды. Для корректировки этой характеристики в пределах конкретного участка реки требуются наличие результатов наблюдений за прохождением всей зоны высокозагрязненных вод искусственного (по трассеру) или аварийного происхождения (по валовому содержанию загрязняющего вещества или суммарной его концентрации в растворенном виде и сорбированном на взвеси состоянии) через исходный и замыкающий участок створы (на первом участке реки исходный створ может быть расположен непосредственно на месте аварийного выпуска загрязняющего вещества). Расчет действительной скорости перемещения высокозагрязненных масс воды на интересуемом участке реки можно получить, используя следующие выражения:

, (117)

, (118)

где - уточненная скорость перемещения загрязненных водных масс на рассматриваемом участке реки, м/с;

; - соответственно время (месяц, число, часы, минуты), когда в исходном и замыкающем речной участок створах было зафиксировано прохождение середины зоны высокозагрязненных вод (середины продольного распределения с концентрациями загрязняющего вещества на уровне, равном или превышающем значение );

- уточненное время перемещения (добегания) загрязненных водных масс на рассматриваемом речном участке (берется как разница между значениями и в секундах);

- длина рассматриваемого речного участка, м.

Если значения были получены при различных расходах речной воды, то целесообразно рассчитать уравнение регрессии для статистической связи типа . Полученное в результате статистического анализа уравнение можно использовать для расчета параметра при прогнозе перемещения по реке высокозагрязненных вод при других гидрологических условиях.

8.3 Следующей важной характеристикой является максимальная концентрация рассматриваемого загрязняющего вещества в зоне высокозагрязненных вод при прохождении ее через замыкающий интересуемый речной участок контрольный створ . Такую корректировку желательно провести, если полученное по заново проведенному прогнозу при значение отличается от фактически зарегистрированного более чем на 5%.

Корректировка осуществляется подбором такого значения коэффициента самоочищения речной воды , при котором разница между прогностическим и фактическим значениями будет практически несущественной. Для некоторых загрязняющих веществ по разным причинам, в т.ч. в связи с несовершенством формализации происходящих процессов (например, для описания растворения перемещающегося по дну русла реки "тяжелого" технического продукта), коэффициент может оказаться со знаком "минус".

8.4 После получения уточненных значений и проводится корректировка ожидаемого по прогнозу времени, когда фронтальная часть зоны высокозагрязненных вод достигнет замыкающего интересуемый участок реки контрольного створа . Данную корректировку осуществляют путем прогонки программы расчета на ПЭВМ с подбором такого значения коэффициента , при котором рассчитываемое значение при использовании полученных значений и будет иметь минимальное отличие от фактического. Уточненное значение коэффициента следует подбирать в пределах 0,01-0,45. С увеличением значений рассчитываемые значения параметра снижаются.

Аналогичную процедуру выполняют для корректировки ожидаемого по прогнозу времени, когда хвостовая часть зоны высокозагрязненных вод достигнет замыкающего интересуемый участок реки контрольного створа . Корректировка проводится путем прогонки программы расчета на ПЭВМ с подбором такого значения коэффициента , при котором рассматриваемое значение при использовании полученных значений , , будет иметь минимальное отличие от фактического.

Уточненное значение коэффициента следует подбирать в пределах от 0,01 до 0,2. С увеличением значений рассчитываемые значения параметра увеличиваются. Если в створе, замыкающем рассматриваемый участок реки, по результатам прогноза значения стали близки к уровню и в распределении концентрации загрязняющего вещества в хвостовой его части наблюдается дополнительный пик (рост) значений концентрации, то для этого участка следует принять, что .

Использование всех полученных уточненных параметров , , , должно быть ограничено только рассмотренным конкретным участком реки в соответствующих корректировке гидрологических условиях.

Эффект использования откорректированных параметров для прогноза характеристик зоны высокозагрязненных вод в контрольных створах нижележащих речных участков заключается в сужении прогнозируемого интервала отдельных характеристик этой зоны, рассчитанных при средней и максимальной скоростях течения речной воды.

8.5 При имитации аварийного сброса с ориентацией на конкретное сравнительно устойчивое в водной среде загрязняющее вещество в качестве уровня следует брать значение концентрации трассера , рассчитанное по формуле

, (119)

где ; (120)

- исходная концентрация трассера в сточных водах;

- максимальная концентрация интересуемого загрязняющего вещества в имитируемом аварийном сбросе сточных вод;

- уровень концентрации загрязняющего вещества, наличие которого в речной воде расценивается как опасное высокое загрязнение.

8.6 В случае транспортной аварии с разливом нефти особенность корректировки прогностического расчета концентрации нефтепродуктов в речной воде заключается в следующем.

Для первого речного участка с использованием одинакового значения коэффициента скорости самоочищения речной воды К от нефтепродуктов в пленке и водном растворе в исходных данных корректируются доли начального распределения нефти в речном потоке и пленке. Подбор указанных допей выполняется прогонкой программы до получения минимального отличия максимальной концентрации нефтепродуктов в речной воде, полученной по данным расчета и зарегистрированной при наблюдении (в данной процедуре возможно некоторое изменение значений коэффициента К отдельно для пленки и речной воды). Для последующих участков речной сети корректировка концентрации нефтепродуктов в воде и их общего количества в пленке осуществляется обычным путем, т.е. подбором коэффициентов скорости самоочищения К отдельно для нефтепродуктов находящихся в воде и пленке.

8.7 При рассмотрении транспортной аварии со сбросом загрязняющего вещества в виде "тяжелого" сыпучего продукта особенность корректировки расчета его концентрации в речной воде заключается в следующем. Если есть данные, что сброшенный технический продукт не затонул (не было залпового сброса в водный объект, частицы продукта имели плоский вид и планировали в водном потоке и т.п.), то следует откорректировать значение "распределительного уровня плотности" (по умолчанию равного 1010 ) до уровня плотности воды (1000 ). Для первого речного участка в исходных данных в первую очередь корректируются значение коэффициента , характеризующего долю используемой растворимости загрязняющего вещества, находящегося на поверхности донных отложений технического продукта. Подбор значений коэффициента выполняется прогонкой программы до получения минимального отличия максимальной концентрации загрязняющего вещества в валовой форме в речной воде, полученной по данным расчета и зарегистрированной при наблюдении в первом контрольном створе. Для "легких" сыпучих продуктов по данным, полученным в контрольном створе первого выделенного речного участка, следует откорректировать принятый в исходных данных коэффициент увеличения объема продукта при начальном смешении его с речной водой (по умолчанию коэффициент в исходных данных принимается равным 2). Для последующих участков речной сети корректировка расчетов концентрации валового содержания загрязняющего вещества осуществляется путем корректировки (подбора) значений коэффициентов скорости самоочищения К.

8.8 В случае транспортной аварии с загрязняющим веществом в виде "тяжёлой жидкости" главное внимание до всех корректировок следует уделить факту - действительно ли эта жидкость при исходной плотности продукта попала на дно реки, а также перемещается по дну русла реки и при этом смешивается или не смешивается с речной водой. Итогом данной проверки может быть корректировка значения "распределительного уровня плотности" (по умолчанию равного 1200 ), если по тем или иным причинам жидкий продукт не затонул; или "критической плотности" (по умолчанию равной 100000 ), если при меньшем значении плотности технический продукт практически не смешивается с речной водой. Следующим шагом должна идти проверки расчета скорости перемещения центральной части зоны загрязненных вод. Для этой задачи требуется провести подбор наиболее вероятного значения расхода "тяжелой жидкости", при котором будут близки сроки рассчитанного и действительного прихода центральной части загрязненной зоны в контрольный створ. Если имеет место разбавление "тяжелой жидкости" в речной воде, то корректировка расчета концентрации загрязняющего вещества в контрольном створе осуществляется обычным подбором коэффициента скорости самоочищения речной воды К от рассматриваемого загрязняющего вещества. Для "легкого" жидкого технического продукта все корректировки расчета не отличаются от таковых для аварийного сброса сточных вод.

8.9 Далее с использованием откорректированных, как указано выше, исходных параметров, определяющих характер перемещения зоны высокозагрязненных вод, рекомендуется выполнить уточнение расчета содержания загрязняющего вещества в отдельных формах его миграции и, прежде всего, уточнение соотношения его содержания на взвеси и в растворенном состоянии. Для указанной цели используются результаты наблюдений в контрольных створах на водном объекте за содержанием загрязняющего вещества в растворенном виде (фильтрованные пробы речной воды) и сорбированном на взвеси состоянии (анализ вещества на взвеси, оставшейся после фильтрации на мембранном фильтре с диаметром пор 0,45 мк). По полученным в контрольном створе натурным данным уточняется коэффициент распределения для рассматриваемого загрязняющего вещества. Далее определяется более точное для рассматриваемой ситуации значение емкости катионного обмена (ЕКО) глинистых веществ . ЕКО для рассматриваемого загрязняющего вещества получают путем прогонки программы на ПЭВМ и подбора такого значения , при котором будет получено наиболее близкое прогнозное значение концентрации загрязняющего вещества на взвеси к измеренному.

______________________________

*(1) При отсутствии данных о режиме и условиях аварийного сброса сточных вод следует считать, что сброс ведется с берега реки с постоянным расходом воды и постоянным уровнем концентраций загрязняющих веществ, в случае транспортной аварии - на середину (в фарватер) реки.

*(2) При отсутствии на реке гидрологических постов или отсутствии информации по другим причинам указанные скорости берутся для интересуемых участков рек по данным срочных измерений.

*(3) В тексте приведены рабочие формулы расчета, теоретический их вид -

; ;

где u - динамическая скорость;

R - гидравлический радиус.

*(4) Формула (30) рекомендована в работе [13] для расчета разбавления сточных вод.

*(5) В настоящее время в ГХИ разработаны (и могут готовиться для заказчиков) два типа концентрированных препаратов, которые в расфасованном виде транспортируются на любые расстояния.

Библиография

[1] Отчет НИР. Разработать комплекс мероприятий по уменьшению влияния загрязненных донных отложений на качество воды малых рек. Шифр темы 0.85.01.03.02.01Т. N Гос. регистрации 01.88.0006371. ВНИИВО. - Харьков, 1988. - 76 с.

[2] Иванова А.А. Некоторые микроэлементы в главнейших реках Советского Союза. Автореф. дис. Гидрохимический институт. - Новочеркасск, 1968. - 27 с.

[3] Дривер Дж. Геохимия природных вод. - М.: Изд-во "Мир", 1985. - 440 с.

[4] Лобченко Е.Е., Соломин Г.А. Определение общей емкости поглощения некоторых глинистых минералов//Гидрохимические материалы. - 1968. - Т. 46. - С. 130-135.

[5] Никаноров A.M., Лапин И.А., Геков В.Ф. и др. Расчет буферной емкости пресноводных экосистем к тяжелым металлам//Экологическое нормирование и моделирование антропогенного воздействия на водные экосистемы. - Л.: Гидрометеоиздат, 1988. Вып. 1. - С. 70-77.

[6] Грушевский М.С. Неустановившееся движение воды в реках и каналах. - Л.: Гидрометеоиздат, 1982. - 341 с.

[7] Быков В.Д. Гидрометрия. - Л.: Гидрометеоиздат, 1965. - 275 с.

[8] Gray H.F. Sewerage in Ancient and Medieval Times//Sewage Works J. - 1940. No 939.

[9] Быстров А.В., Клименко О.А. К вопросу определения коэффициента продольной дисперсии в турбулентных потоках//Водные ресурсы, 1990, N 5. - С. 174-177.

[10] Справочник проектировщика. Канализация населенных мест и промышленных предприятий. М.: Стройиздат, 1981. - 638 с.

[11] Филькин Г.В. О подобии полей концентрации загрязняющих веществ, возникающих при сбросе сточных вод в водотоки. - Новочеркасск, 1986. - 11 с. - Деп. в ВНИИ-ТЭИСХ, N 105 ВС-86.

[12] Филькин Г.В., Медведева Л.Д. Поле концентраций, создаваемое линейным выпуском. - Новочеркасск, 1980. - 6 с. - Деп. в ВИНИТИ, N 3949-85.

[13] Методические основы оценки антропогенного влияния на качество поверхностных вод/Под ред. А.В. Караушева. - Л.: Гидрометеоиздат, 1981. - 175 с.