Приложение А (обязательное). Алгоритм решения задачи по прогнозу характеристик зон высокозагрязненных вод в заданных контрольных створах речной сети

Приложение А
(обязательное)

Алгоритм решения задачи по прогнозу характеристик зон высокозагрязненных вод в заданных контрольных створах речной сети

А.1 Общие замечания

Исходя из особенностей исходной информации, можно выделить три варианта прогноза характеристик зон высокозагрязненных вод:

1) ориентировочный прогноз времени возможного распространения зон высокозагрязненных вод по речной сети при наличии сведений только о времени и местоположении аварийного сброса сточных вод;

2) прогноз распространения зон высокозагрязненных вод по речной сети по результатам наблюдений, полученным в исходном контрольном створе реки;

3) прогноз распространения зон высокозагрязненных вод по речной сети при наличии сведений об изменениях расходов аварийного сброса сточных вод и содержании в них загрязняющих веществ.

В результате решения задачи по любому из вариантов получаемые результаты описывают характеристики зоны высокозагрязненных вод при прохождении ее через заданный контрольный створ, расположенный ниже места аварийного сброса сточных вод или исходного створа реки, где первоначально были измерены характеристики этой зоны.

А.2 Алгоритм решения задачи по первому варианту

А.2.1 Для решения первой задачи требуется следующая исходная информация:

- расстояние (м) от места (створа) аварийного сброса сточных вод до первого "узлового" контрольного створа на пути перемещения высокозагрязненных вод по речной сети;

- общая протяженность участка (участков) водного объекта (м) от места (створа) аварийного сброса сточных вод до заданного x-го створа (створ, замыкающий интересуемый участок, не должен располагаться ниже "узлового" контрольного створа);

- время (число, месяц, часы, минуты), когда было зафиксировано начало аварийного сброса сточных вод;

- время (число, месяц, часы, минуты), когда было зафиксировано окончание аварийного сброса сточных вод (на момент начала прогноза данные о могут отсутствовать);

- протяженность (м) выделенных в пределах расстояния характерных по морфометрическим или другим характеристикам участков рек;

- средняя скорость течения воды (м/с) на j-м выделенном характерном участке реки;

- максимальная скорость течения речной воды (м/с) на j-м выделенном характерном участке или коэффициент пересчета значений в ;

- средняя глубина речного потока (м) на j-м характерном участке;

- средняя ширина речного потока (м) на j-м характерном участке;

- коэффициент шероховатости русла реки на j-м характерном участке;

- коэффициент шероховатости нижней поверхности льда (берется при наличии ледяного покрова по таблице А.1);

- число выделяемых характерных участков реки в пределах .

А.2.2 Расчет максимальной скорости течения воды на j-м выделенном характерном участке, если в исходных данных отсутствует информация об этой характеристике, а известен коэффициент , выполняют по формуле

. (А.1)

А.2.3 Расчет средневзвешенных значений средней и максимальной скоростей течения речной воды на заданном участке длиной проводят по формулам

, (А.2)

. (А.3)

А.2.4 Расчет средневзвешенных значений всех приведенных в исходных данных морфометрических характеристик русла реки , , , , I осуществляют по формуле

, (А.4)

где - средневзвешенное значение искомой характеристики;

- значение характеристики на j-м выделенном характерном участке реки.

А.2.5 Расчет коэффициента Шези c выполняют по следующим формулам:

- при наличии в исходных данных информации о (при наличии ледяного покрова на реке)

, (А.5)

где

, (А.6)

(А.7)

- при отсутствии значений

. (А.8)

Таблица А.1 - Значения коэффициента шероховатости нижней поверхности льда [12]

N п/п	Число дней после ледостава
1	До 10	0,150-0,050
2	10-20	0,100-0,040
3	21-60	0,050-0,030
4	61-80	0,040-0,015
5	81-110	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.

А.2.6 Расчет коэффициентов продольной дисперсии проводят по следующим формулам:

- в случае, когда

м, (А.9)

, (А.10)

, (А.11)

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

- в противном случае

, (А.12)

. (А.13)

A.2.7 Расчет времени перемещения водных масс на речном участке между исходным и заданным контрольными створами выполняют по формулам

, (А.14)

, (А.15)

где и - соответственно максимальное и минимальное значения .

А.2.8 Расчет выходных данных проводится следующим образом.

А.2.8.1 Ожидаемое по прогнозу минимальное и максимальное время, когда фронтальная часть зоны высокозагрязненных вод достигнет заданного контрольного створа водного объекта, вычисляют по формулам

, (А.16)

. (А.17)

А.2.8.2 При наличии в исходных данных ожидаемое по прогнозу минимальное и максимальное время, когда хвостовая часть зоны высокозагрязненных вод достигнет контрольного створа водного объекта, считая от времени , определяют по формулам

; (А.18)

. (А.19)

A.2.9 Тип заданного контрольного створа используется в расчете следующим образом: если он является "узловым" и необходимо продолжить расчет для нижележащих створов, то полученные значения и переводят в абсолютное время и используют как новые характеристики аварийного сброса в этом "узловом" створе. Продолжение прогностического расчета выполняют в виде нового цикла по алгоритму первого варианта решения задачи.

А.3 Алгоритм решения задачи по второму варианту

А.3.1 Для решения второй задачи требуется следующая исходная информация:

- расстояние (м) от исходного до первого "узлового" контрольного створа на пути перемещения загрязненных вод по речной сети;

- общая протяженность участка (участков) водного объекта (м) от исходного до заданного x-го контрольного створа (створ, замыкающий интересуемый участок, не должен располагаться ниже "узлового" створа), м;

- время (число, месяц, часы, минуты), когда в исходном створе было зафиксировано начало прохождения зоны высокозагрязненных вод (условное начало аварийного поступления загрязняющих веществ в водный объект);

- измеренные в исходном контрольном створе реки значения концентрации загрязняющего вещества во время прохождения через этот створ зоны высокозагрязненных вод;

- примерная концентрация загрязняющего вещества в заданном для расчета контрольном створе реки до аварийной ситуации;

- относительные значения времени (с), когда в исходном контрольном створе начиная с момента фиксирования высоких концентраций загрязняющего вещества было измерено соответствующее значение ;

- продолжительность (с) (к моменту начала прогностических расчетов) наличия в речной воде высоких концентраций загрязняющего вещества в исходном контрольном створе;

- примерная температура воды t (°C) в перемещающейся по реке зоне высокозагрязненных вод;

- используемое для прогностических расчетов значение коэффициента скорости самоочищения K (1/с) речных вод от загрязняющего вещества (в случае отсутствия данных принимается K = 0 1/с);

- уровень концентрации загрязняющего вещества , наличие которого в воде водного объекта расценивается как высокое загрязнение;

- ориентировочное время (с), в течение которого ниже исходного контрольного створа может не происходить самоочищение речной воды от рассматриваемого загрязняющего вещества (при отсутствии данных принимается с);

- протяженность (м) выделенных в пределах расстояния характерных по морфометрическим или другим характеристикам участков рек;

- средняя скорость течения воды (м/с) на j-м выделенном характерном участке реки;

- средняя глубина речного потока (м) на j-м выделенном характерном участке;

- средняя ширина речного потока (м) на j-м выделенном характерном участке;

- коэффициент шероховатости русла реки на ее j-м выделенном участке;

- максимальная скорость течения речной воды (м/с) на j-м выделенном характерном участке или коэффициент пересчета значений в значения ;

- коэффициент , корректирующий форму фронтальной части распределения высоких концентраций загрязняющих веществ в речной воде на j-м выделенном характерном участке реки (при отсутствии данных принимается );

- коэффициент , корректирующий форму хвостовой части распределения концентраций загрязняющих веществ в речной воде на j-м выделенном характерном участке реки (при отсутствии данных принимается );

- коэффициент , характеризующий извилистость русла реки, представляющий собой отношение расстояния по фарватеру реки к расстоянию по прямой на участке реки в пределах смешения речных и сточных вод;

- коэффициент шероховатости нижней поверхности льда , представляемый в том случае, если река покрыта льдом (см. таблицу А.1);

- расход воды в j-м контрольном створе реки.

А.3.2 Расчет максимальной скорости течения речной воды на j-м выделенном характерном участке, если в исходных данных отсутствует информация об этой характеристике, а приведен коэффициент , выполняется по формуле (А.1).

А.3.3 Расчет средневзвешенного значения средней скорости течения речной воды на заданном участке длиной проводится по формуле (А.2).

А.3.4 Расчет средневзвешенного значения максимальной скорости течения речной воды на заданном участке длиной проводится по формуле (А.3).

А.3.5 Расчет средневзвешенных значений всех приведенных в исходных данных морфометрических характеристик русла реки , , , , , , , на участке протяженностью выполняется по формуле (А.4).

А.3.6 Расчет коэффициента Шези c рекомендуется проводить:

- при наличии ледяного покрова на реке (при наличии данных о ) по формулам (А.5)-(А.7);

- в противном случае (при отсутствии ледяного покрова на реке) по формуле (А.8).

А.3.7 Расчет коэффициентов продольной дисперсии проводится с учетом условия (А.9) по формулам (А.10)-(А.13).

А.3.8 Расчет времени перемещения водных масс на речном участке между исходным и заданным контрольными створами осуществляют по формулам (А.14) и (А.15).

А.3.9 Расчет общего числа основных сегментов , используемых для описания продольного профиля распределения высоких концентраций вещества в исходном контрольном створе, проводят по формулам

, (А.20)

, (А.21)

при этом если , то принимается, что ; если , то принимается, что .

После расчета числа основных сегментов в зоне высоких концентраций вещества в исходном створе каждому из них присваивают порядковый номер и время, прошедшее от начала регистрации в этом створе концентраций на уровне . Временные характеристики сегментов распределения концентраций вещества в исходном створе будут иметь вид , в заданном контрольном створе через время , где N - порядковый номер сегмента.

А.3.10 Исходный продольный профиль распределения концентраций вещества обычно имеет малое число сегментов (по числу наблюдений за зоной высокозагрязненных вод в исходном контрольном створе), поэтому пересчет профиля распределения концентраций вещества в намеченные сегменты общим числом 50 и более выполняют методом интерполяции сплайнами второго порядка (описание использования такой интерполяции и библиографию по этому вопросу можно найти в работе [13]).

А.3.11 Сравнение времени прохождения зоны высокозагрязненных вод через исходный створ с временем добегания до заданного контрольного створа осуществляют в зависимости от варианта расчета с учетом средней или максимальной скорости течения воды по условию (А.22) или (А.23):

, (А.22)

. (А.23)

Если условие (А.22) или (А.23) выполняется, то переходят к А.3.13, в противном случае - к А.3.12.

А.3.12 Расчет продольного профиля распределения концентраций интересуемого вещества в зоне высокозагрязненных вод при ее прохождении через заданный контрольный створ осуществляют по следующим этапам.

А.3.12.1 Определение параметров и :

, (А.24)

, (А.25)

где , - значения времени для вычисления изменения концентрации вещества в n-х сегментах, "участвующих" в формировании значений (соответственно в параллельных расчетах учитываются средняя и максимальная скорости возможного перемещения зоны загрязненных вод);

n - порядковый номер очередного используемого для расчета значений сегмента с концентрацией (вычисление номера такого сегмента возможно по обе "стороны" от главного сегмента, взятого для расчета : для n-х сегментов, имеющих большее время от начала аварии, чем у главного, порядковый номер берется со знаком "плюс" и, наоборот, для сегментов, имеющих меньшее время, - со знаком "минус"; номер главного сегмента в этой процедуре приравнивается к нулю).

А.3.12.2 Предварительное вычисление параметров и :

, (А.26)

, (А.27)

Расчеты значений или в очередных и добавленных в контрольном створе сегментах ведутся до тех пор, пока очередное значение не будет равно нулю.

А.3.12.3 Предварительный расчет концентрации загрязняющего вещества в N-x сегментах в заданном контрольном створе реки:

, (А.28)

. (А.29)

Расчет параметров и по формулам (А.28) и (А.29) ведется для всех сегментов, в том числе для добавленных в контрольном створе. Значения , полученные на концах распределения концентраций вещества, в качестве результата расчета не учитывают.

А.3.12.4 Определение коэффициентов и проводят следующим образом.

А.3.12.4.1 Число основных сегментов во фронтальной части распределения высоких концентраций загрязняющего вещества , для которых при расчетах значений следует учитывать значения коэффициента при , определяют по формуле

, (А.30)

где - время начала появления в рассматриваемом контрольном створе концентраций загрязняющего вещества на уровне , с.

При принимается .

А.3.12.4.2 Число сегментов в средней части распределения высоких концентраций загрязняющего вещества , для которых при расчетах параметра следует принимать , рассчитывают по формуле

, (А.31)

где - время последней регистрации концентрации вещества на уровне в рассматриваемом контрольном створе.

А.3.12.4.3 Число сегментов в хвостовой части распределения высоких концентраций загрязняющего вещества , для которых при расчетах параметра следует учитывать значения коэффициента при , определяют по формуле

. (А.32)

При принимается .

А.3.12.4.4 Определение значений коэффициента , необходимого для расчета , формирующих концентрацию в соответствующем N-м сегменте, проводят по формулам:

- для N = 1

, (А.33)

- для N в пределах от 2 до

, (А.34)

где - исходное (максимальное) значение коэффициента .

А.3.12.4.5 Определение значений коэффициента , необходимого для расчета , формирующих концентрацию в соответствующем N-м сегменте хвостовой части распределения концентрации загрязняющего вещества, вычисляют по формулам:

- для

; (А.35)

- для N в пределах от до

. (А.36)

Если значение было задано в исходных данных , то

. (А.37)

При корректировке исходных данных, чтобы сделать независимыми друг от друга вводимые значения коэффициентов и , вначале в расчет вводится значение , а затем значение .

А.3.12.5 Вычисление значений коэффициентов и проводят по формулам

(А.38)

(А.39)

где и - коэффициенты, корректирующие форму профиля распределения высоких концентраций вещества в расчетах с учетом соответственно максимальной и средней скоростей течения воды в реке.

А.3.12.6 Для окончательного вычисления параметров и используют формулы

, (А.40)

. (А.41)

А.3.12.7 Окончательный расчет концентраций загрязняющего вещества в N-х сегментах в заданном контрольном створе реки осуществляют по формулам (А.28) и (А.29), в которых используются параметры , полученные по формулам (А.40) и (А.41).

А.3.13 В случае, если время прохождения зоны высокозагрязненных вод через исходный створ не менее времени перемещения водных масс между исходным и контрольным створами , расчет выполняют по формулам (А.24)-(А.41), при этом сегменты, для которых , в расчеты по формулам (А.24), (А.25) включать не следует.

А.3.14 Строят графики зависимостей

, ,

где - время, прошедшее от начала регистрации в исходном контрольном створе концентрации вещества на уровне .

А.3.15 Осуществляют подготовку выходных данных:

; ; ; ; ; ; ; ; ; ,

где характеристики с одним штрихом получены при использовании значений , с двумя штрихами - при использовании значений .

А.3.16 Если в очередном заданном контрольном створе оказалось, что , то прогностические расчеты с использованием алгоритма второго варианта решения задачи заканчивают. Если заданный створ оказался "узловым" и в нем , то осуществляют преобразование данных, полученных в этом створе. При этом принимается

; (А.42)

; (А.43)

; (А.44)

; (А.45)

Q = q. (А.46)

Далее для задаваемых нижерасположенных контрольных створов (до очередного "узлового" створа реки) расчет можно продолжать по алгоритму третьего варианта решения задачи. Воды загрязненной реки в данном случае принимают за новый береговой аварийный сброс сточных вод.

А.4 Алгоритм решения задачи по третьему варианту

А.4.1 Для решения третьей задачи требуется следующая исходная информация:

- расстояние (м) от "узлового" контрольного створа реки до места (створа) аварийного сброса сточных вод;

- общая протяженность участка (участков) водного объекта (м) от места (створа) аварийного сброса сточных вод до заданного x-го створа (створ, замыкающий интересуемый участок, не должен располагаться ниже "узлового" створа);

- протяженность (м) выделенных для расчетов на участке характерных по морфометрическим или другим характеристикам участков рек;

- время (число, месяц, часы, минуты), когда было зафиксировано начало аварийного сброса сточных вод;

- продолжительность (с) (к моменту начала прогностических расчетов) аварийного сброса сточных вод;

- максимальный расход сточных вод в известный период аварийного сброса сточных вод;

- расстояние (м) от места аварийного выпуска сточных вод до ближайшего берега (при сбросе с берега м, при рассеивающем выпуске равно расстоянию от берега до середины рассеивающего устройства);

- уровень концентрации рассматриваемого загрязняющего вещества , наличие которого в воде водного объекта расценивается как высокое загрязнение;

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

Таблица А.2 - Сведения о режиме аварийного сброса загрязняющего вещества

Порядковый номер проведенного измерения	, с	,	,
Примечание - В таблицу включены следующие параметры: , - N-я измеренная или предлагаемая для прогностического расчета концентрация загрязняющего вещества в аварийном сбросе сточных вод; - N-й измеренный или предложенный для прогностического расчета расход воды в аварийном сбросе сточных вод; - относительное время, когда в сточных водах, начиная с момента фиксации начала аварийного сброса, было измерено значение или значение .

- параметры, характеризующие режим аварийного сброса интересуемого загрязняющего вещества (целесообразно представлять в виде таблицы А.2);

- используемый для прогностических расчетов коэффициент K (1/с) скорости самоочищения речных вод от загрязняющего вещества (в случае отсутствия данных принимается K = 0 1/с);

- примерная температура воды в перемещающейся по реке зоне высокозагрязненных вод t (°С);

- рекомендуемое для учета ориентировочное время (с), в течение которого ниже аварийного сброса сточных вод может не происходить самоочищение речной воды от рассматриваемого загрязняющего вещества (при отсутствии данных принимается с);

- средняя скорость течения воды (м/с) на j-м выделенном характерном участке реки;

- максимальная скорость течения речной воды (м/с) на j-м выделенном характерном участке или коэффициент пересчета значений в ;

- средняя глубина речного потока (м) на j-м выделенном характерном участке;

- среднее значение максимальных глубин речного