Рекомендации Р 52.24.627-2001 "Методы прогностических расчетов распространения по речной сети зон высокозагрязненных вод и использования для прогнозов трассерных экспериментов, имитирующих аварийные ситуации" (утв. Федеральной службой по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды 31 октября 2001 г.) (документ утратил силу)

Рекомендации Р 52.24.627-2001
"Методы прогностических расчетов распространения по речной сети зон высокозагрязненных вод и использования для прогнозов трассерных экспериментов, имитирующих аварийные ситуации"
(утв. Федеральной службой по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды 31 октября 2001 г.)

ГАРАНТ:

Взамен настоящего документа Росгидрометом 6 ноября 2007 г. утверждены Р 52.24.627-2007 "Рекомендации. Усовершенствованные методы прогностических расчетов распространения по речной сети зон высокозагрязненных вод с учетом форм миграции наиболее опасных загрязняющих веществ"

Дата введения 1 июля 2002 г.

1 Область применения

Настоящие рекомендации предназначены для оперативного проведения прогностических расчетов распространения по речной сети зон высокозагрязненных вод, 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 по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (УГМС) 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 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 и определения

В настоящих рекомендациях использованы следующие термины и определения.

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

Вертикаль створа наблюдений - условная отвесная линия от поверхности воды (или льда) до дна в водоеме или водотоке, в пределах которой выполняют работы для получения данных о показателях состава и свойств воды

Водный объект - сосредоточение природных вод на поверхности суши либо в горных породах, имеющее характерные формы распространения и черты режима (ГОСТ 19179)

Водозабор - забор воды из водоема, водотока или подземного водоисточника (ГОСТ 19185)

Водопользование - использование водных объектов для удовлетворения любых нужд населения и народного хозяйства (ГОСТ 17.1.1.01)

Водопотребление - использование водных ресурсов с безвозвратным изъятием воды из водоисточника (ГОСТ 19185)

Водоток - водный объект, характеризующийся движением воды в направлении уклона в углублении земной поверхности (ГОСТ 19179)

Высокозагрязненные воды - воды с повышенным содержанием одного или нескольких загрязняющих веществ, исключающим или существенно ограничивающим водопользование на водном объекте

Горизонт створа наблюдений - место на вертикали (по глубине водотока или водоема), на котором производят работы для получения данных о показателях состава и свойств воды

Загрязняющее вещество - вещество в воде, вызывающее нарушение норм качества воды (ГОСТ 17.1.1.01)

Зона высокозагрязненных вод - участок водного объекта с высокозагрязненными водами

Качество воды - характеристика состава и свойств воды, определяющая пригодность ее для конкретных видов водопользования (ГОСТ 17.1.1.01)

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

Самоочищение воды - совокупность природных процессов, направленных на восстановление экологического благополучия водных объектов (ГОСТ 27065)

Створ водотока (реки) - условное поперечное сечение водотока, используемое для оценок и прогноза качества воды

Сточные воды - воды, отводимые после использования в бытовой и производственной деятельности человека (ГОСТ 17.1.1.01)

4 Общие положения

4.1 Появление в речной сети в течение сравнительно непродолжительного времени высокозагрязненных вод в большинстве случаев связано с аварийным сбросом сточных вод.

Назначение уровней концентраций загрязняющих веществ, наличие которых в речной воде оценивается как высокое загрязнение , проводится по согласованию со всеми 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 высокого загрязнения речных вод

Вещества и показатели качества воды	Предельно допустимая концентрация (ПДК),	Уровень высокого загрязнения воды ,
Минерализация воды	1000	1400	1,4
Хлориды	300	450	1,5
Сульфаты	100	400	4,0
Железо общее	0,10	1,0	10
Марганец	0,01	0,10	10
Азот аммонийный	0,39	2,5	6,4
Азот нитратный	9,1	15,0	1,6
Фосфор минеральный	0,20	0,40	2,0
ХПК	30	150	5,0
	2,00	10	5,0
Ртуть	0,0001	0,001	10,0
Кадмий	0,001	0,020	20
Свинец	0,030	0,150	5,0
Мышьяк	0,050	0,250	5,0
Медь	0,001	0,030	30
Хром общий	0,030	0,200	6,6
Хром шестивалентный	0,020	0,100	5,0
Кобальт	0,010	0,100	10
Никель	0,010	0,100	10
Цинк	0,010	0,100	10
Цианиды	0,050	0,150	3
Фториды	0,75	1,5	2
СПАВ	0,10	1,5	15
Фенолы летучие	0,001	0,030	30
Нефтепродукты	0,05	1,5	30
Алюминий	0,04	1,00	25
Магний	40	120	3

В качестве контрольных следует выделять створы, расположенные:

- на 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, средних глубины H и ширины B реки, площади поперечного сечения реки F и коэффициента Шези c от уровня воды или расхода речной воды Q;

- уровни концентраций загрязняющих 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 сточных вод необходимо оперативно собрать информацию, включающую:

- время начала и продолжительность аварийного сброса сточных вод;

- перечень основных загрязняющих веществ в сточных водах на период аварийного сброса;

- режим аварийного сброса сточных вод (изменение расхода сточных вод и концентраций в них основных загрязняющих веществ за период аварийного сброса), а также расстояние от берега до места сброса сточных вод*(1);

- основные морфометрические и гидродинамические характеристики для характерных участков рек на период аварийного сброса.

4.5 К основным морфометрическим и гидродинамическим характеристикам водотоков следует относить:

- расход воды в речной сети на выделенных характерных участках ниже аварийного сброса сточных вод;

- 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 сточных водах могут быть получены от источника, откуда поступил сигнал об аварийной ситуации, либо, если эти сведения недостаточны или вызывают сомнения, непосредственно на месте случившейся аварии.

При отсутствии данных о расходе сточных вод, продолжительности аварийного сброса и концентрациях основных загрязняющих веществ в сточной воде или об одной из этих характеристик 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 (одна или две) - на расстоянии примерно 1/3 от берега до стрежня потока со стороны аварийного сброса сточных вод и со стороны местоположения водопользователей ниже по течению реки (например, от берега, где расположен ближайший населенный пункт). 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 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. 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 x-м створе . Последнее определяют по формуле

, (1)

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

- максимальная скорость течения воды в реке, м/с;

7200 - коэффициент перевода данных из секунд в часы.

Результаты анализа воды, полученные в каждой вертикали нижележащего створа, должны быть осреднены. За исходные данные 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 данном нижележащем створе.

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

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

4.8 Результаты прогностических 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, либо, если в расчетах использовалась единая скорость перемещения зоны высокозагрязненных вод, указанные концентрации во фронтальной части зоны были обнаружены раньше, а в хвостовой позже, чем это должно было произойти 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", 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 достигает 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 части 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 фронтальной части зоны 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, связанные со сбросом в водный объект сырой нефти. Попав в водный объект, нефть не остается в неизменном виде. Из образовавшейся пленки, главным образом в течение первых пяти суток, происходит интенсивное испарение ее легких фракций, составляющее в зависимости от температуры воздуха от 14 до 30% от ее общей массы (коэффициент убыли нефтепродуктов примерно равен 0,03-0,06 1/сут) [1]. В результате быстрых процессов растворения, образования эмульсий и взвесей в водный поток из пленки первоначально переходит примерно от 10 до 20% нефти. Далее этот процесс продолжается постоянно (коэффициент перехода нефтепродуктов из пленки в воду примерно равен 0,15 1/сут, из воды в пленку - 0,04 1/сут). Под влиянием ветра и течений нефтяная пленка может перемещаться со скоростью до двух раз большей, чем верхний слой воды. Пригнанная к берегу, она оседает в прибрежной зоне или на частях растений [2]. При температуре воды 4°С разложение нефтепродуктов в результате процессов биохимического и химического окисления практически не происходит. Начиная с 5°С разложение нефтепродуктов ускоряется пропорционально повышению температуры [3].

Учитывая такое сложное распределение и перемещение сырой нефти в реке, на первых участках реки при наличии значительного количества нефти в пленке целесообразно прогнозировать только возможную максимальную скорость перемещения в реке фронтальной части зоны загрязненных вод, включая нефтяную пленку, эмульгированные и растворенные нефтепродукты в толще воды. Содержание нефти в зоне высокого загрязнения расчетным путем в этот период может быть оценено только ориентировочно. Основными параметрами этой зоны следует считать те, которые получены в момент ее прохождения через контрольные створы путем непосредственных наблюдений и измерений концентраций нефтепродуктов. После разрушения основной части нефтяной пленки измеренное в толще воды распределение значений концентраций растворенных и эмульгированных нефтепродуктов может служить основой для составления прогнозов перемещения нефти вниз по течению реки теми же методами, что и для других загрязняющих веществ. При этом следует обращать внимание на возможность появления пятен нефтяной пленки и высокого загрязнения воды нефтепродуктами в результате вымывания нефти из зон задержки ее у берегов, на плесах и в протоках реки.

5.1.4 Катастрофические аварийные ситуации, когда в результате сброса сточных вод происходит нарушение всех возможных условий естественного гидрологического режима на водном объекте, в настоящих рекомендациях не рассматриваются. 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 заданным 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 речных вод.

Как показали трассерные эксперименты, проведенные на разных реках сотрудниками Гидрохимического института (ГХИ), 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 минимальное и максимальное 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 створами можно рассчитать по формуле

, (3)

где - общая протяженность участка реки (по фарватеру) от места аварийного сброса сточных вод до заданного x-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 рассчитывают по формуле

, (4)

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

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

, (5)

где - ожидаемая скорость течения речной воды в x-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 x-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 речной воды на участках длиной , , ..., .

5.2.5 Увеличение скорости течения речной воды в результате кратковременного сброса больших объемов сточных вод обычно имеет значение для расчетов только на первых километрах ниже места 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 сброса и в момент максимального расхода аварийного сброса сточных вод, м/с;

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

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

и - ориентировочная площадь поперечного сечения речного потока соответственно до начала 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 места 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 [4], 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.

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 скорости поверхностного течения речной воды 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.

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

Характеристика 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, кустарник)	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 - Коэффициент шероховатости для равнинных рек (по Б.В. Полякову)

Категория	Характеристика рек
I	Реки с песчаным руслом, ровным, без растительности, с незначительным перемещением донных наносов	0,020-0,023
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

Таблица 4 - Данные о переходных коэффициентах , [5]

Характеристика русла и условий протекания рек	Переходный коэффициент	Средняя глубина, м
		менее 1	от 1 до 5	более 5
Равнинные большие и средние реки 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 стоячая вода), горные реки с бурным течением		-	0,70-0,79	0,80-0,84
		-	0,43-0,60	0,61-0,66

5.2.7 В случае разлива сырой нефти ориентировочный интервал наименьшего времени перемещения между заданными створами центра пятна нефтяной пленки может быть определен по формуле (6) с использованием значений и .

5.3 Ориентировочный прогноз основных характеристик перемещающейся по речной сети 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 (или ряда загрязняющих веществ), превышающие уровень . Общая блок-схема проведения расчетов характеристик зоны высокозагрязненных вод в контрольных створах водного объекта показана на рисунке 2.

Если принять, 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 [6]:

, (15)

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

- начальная масса сброшенного в водоток вещества, г;

F - площадь поперечного сечения водного потока, ;

- коэффициент продольной дисперсии, ;

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

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

Поскольку описанную уравнением (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 уравнение (15) в следующий вид

, (16)

где

; (17)

; (18)

- 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 концентрации 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 ;

- 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 распределения значений концентрации вещества, вызванной тем, что часть вещества в фронтальной части зоны загрязненных вод "поглощается" и задерживается в слабопроточных участках 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, корректирующий форму распределения значений концентрации.

После введения такого коэффициента уравнение (17) будет иметь вид

, (19)

где

(20)

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

- коэффициент, корректирующий хвостовую часть этого распределения.

В случае небольших 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 момента конкретной аварийной ситуации, используя результаты измерения концентраций вещества в нижележащих контрольных створах реки (раздел 8).

Для реализации рассмотренной модели необходимо иметь значения , K и .

Варианты расчета скоростей течения речной воды указаны в 5.2.1-5.2.7.

Коэффициенты скорости самоочищения загрязняющих веществ K желательно брать по результатам натурных наблюдений на рассматриваемом водном объекте. При отсутствии таких данных ориентировочные значения K можно брать из таблиц 5, 6. Для водотоков со скоростью течения воды более 0,02 м/с рекомендуется пользоваться ориентировочными коэффициентами K, приведенными в таблице 5. Для других загрязняющих веществ в аналогичных условиях можно использовать коэффициенты, помещенные в таблице 6, предварительно увеличив их в 3 раза. При отсутствии сведений о коэффициенте K принимают, что K = 0. Используя коэффициенты K для органических веществ, следует обращать внимание на наличие в зоне высокозагрязненных вод высоких значений 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 K

Вещества и групповые показатели химического состава воды	Значения K ( 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	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	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 K

Вещества и групповые показатели химического состава воды	Значения K ( 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
Алкилсульфанат (АС) без наполнителя	0,17	0,58	0,81
Алкилсульфанат 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	0,17
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 сульфасалициловая	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
n-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 солярное	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	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	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
Фурфорол	0,09	0,29	0,41
Хлорорганические пестициды (обобщенный показатель)	0,01	0,01	0,02
ХПК	0,01	0,01	0,02
Хлорофенол	0,06	0,123	0,24
o-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 до 60-70 м рекомендуется определять в соответствии с работами [7, 8] по формуле*(3)

, (22)

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

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

c - коэффициент Шези, .

Для водотоков с большей шириной русла

. (23)

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.

В рассматриваемом случае главное внимание должно быть уделено прогнозу значений характеристик максимально загрязненной струи в поперечных профилях зоны высокозагрязненных речных вод. 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 [9, 10]. Эта модель представляет собой аналитическое решение уравнения, описывающего процесс турбулентной дисперсии для двумерной задачи, вида

, (25)

где - коэффициент поперечной дисперсии;

C - концентрация загрязняющего вещества;

- средняя скорость течения воды в водотоке;

x и y - 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. В формулах (26)-(28) используют средневзвешенные значения параметров , , с учетом ряда речных участков, существенно отличающихся по морфометрическим характеристикам речного русла.

Для определения коэффициента поперечной дисперсии рекомендуется использовать следующие формулы:

а) при наличии сведений о радиусе кривизны русла (м), взятом как среднее значение для участка реки, расположенного ниже рассматриваемого места сброса 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 ;

M - коэффициент, зависящий от коэффициента Шези c (при 10 < c < 60 M = 0,7c + 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, измеренной 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 вычисляются следующим образом.

Время , через которое фронтальная часть зоны высокозагрязненных вод достигнет заданного контрольного створа реки, можно определить 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 достигнет заданного контрольного створа, с;

- ожидаемое по прогнозу время начиная с момента начала опасной аварийной ситуации, когда часть зоны с максимально высокой концентрацией вещества достигнет 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 прогноза 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, а также створ в устье реки. Во всех контрольных створах проверяется целесообразность дальнейших прогностических расчетов путем проверки условия

. (39)

Если условие (39) выполняется, то следует продолжать прогностические расчеты перемещения зоны высокозагрязненных вод по речной сети. Если условие (39) не выполняется, то их следует считать завершенными.

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

, (40)

, (41)

, (42)

, (43)

, (44)

где двумя "звездочками" отмечены характеристики условно нового аварийного сброса в "узловом" замыкающем контрольном створе.

Вид расчета на следующем речном участке зависит от выполнения условия

. (45)

Если условие (45) выполняется, то принимается, что имеет место попадание в реку условно нового аварийного сброса. Если условие (45) не выполняется, то следует считать, что происходит попадание 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

, (46)

где

; (47)

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

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

В такой ситуации целесообразно определение гарантированного минимального времени перемещения зоны высокозагрязненных вод до заданного контрольного створа по формуле

, (48)

где - параметр , полученный с использованием значений .

При использовании формулы (48) принимается, что в заданном контрольном створе в любой момент времени .

6 Представление результатов прогностических 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 7.

Таблица 7 - Результаты прогноза аварийной ситуации на водном объекте

		р. Дон, 1 км выше г. Азова
(Местоположение контрольного створа)
38 км		ПО "Водоканал" г. Ростова-на-Дону		02.12.97; 9 ч 30 мин
(Расстояние по речной сети от места сброса до контрольного створа)		(Наименование источника аварийного сброса сточных вод)		(Сроки начала аварии: число, месяц, год; часы, минуты)

Основные загрязняющие вещества и показатели качества воды	Уровень высокого загрязнения воды ,	Учитываемая скорость течения воды в реке	Дата и время прибытия фронтальной части зоны высокозагрязненных вод	Дата и время прибытия хвостовой части зоны высокозагрязненных вод	Продолжительность высокого загрязнения воды в створе , ч, мин	Максимальная концентрация вещества ,	Дата и время начала появления максимальных концентраций вещества
	10,00		03.12.97; 3 ч 30 мин	03.12.97; 10 ч 10 мин	6 ч 40 мин	20,00	03.12.97; 4 ч 15 мин
			03.12.97; 7 ч 20 мин	03.12.97; 14 ч 05 мин	6 ч 45 мин	19,00	03.12.97; 8 ч 15 мин
Нефтепродукты	1,50		03.12.97; 4 ч 10 мин	03.12.97; 9 ч 00 мин	5 ч 50 мин	2,25	03.12.97; 6 ч 20 мин
			03.12.97; 6 ч 35 мин	03.12.97; 12 ч 35 мин	6 ч 00 мин	2,00	30.12.97; 9 ч 10 мин

7 Организация проведения трассерных экспериментов

7.1 Задачи и этапы трассерных экспериментов

Трассерные эксперименты рекомендуется использовать для решения следующих задач:

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

- уточнения или получения осредненных данных для конкретных участков рек морфометрических и гидродинамических характеристик, используемых в прогностических расчетах по математическим моделям;

- маркировки (мечения) хвостовой части зоны высокозагрязненных вод, образовавшейся в результате аварийного сброса сточных вод, для целей надежной регистрации в контрольных створах окончания аварийной ситуации.

Для решения 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 загрязняющих веществ;

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

Всем этим требованиям удовлетворяют флуоресцентные трассеры-маркеры, приготавливаемые из инертных полимерных материалов, не взаимодействующих 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