Способ определения среднегодовой самоочищающей способности водотока в фарватере



Способ определения среднегодовой самоочищающей способности водотока в фарватере
Способ определения среднегодовой самоочищающей способности водотока в фарватере
Способ определения среднегодовой самоочищающей способности водотока в фарватере
Способ определения среднегодовой самоочищающей способности водотока в фарватере
Способ определения среднегодовой самоочищающей способности водотока в фарватере

 


Владельцы патента RU 2606555:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" (RU)

Изобретение относится к инженерной экологии и гидрологии и может быть использовано при моделировании изменения качества воды поверхностных водотоков. Сущность: реку и ее притоки на цифровой топографической карте разбивают на квадраты. Вычисляют количество квадратов, покрывающих реку и каждый ее приток. Вычисляют фрактальную размерность реки. Вычисляют изменение показателя биологического потребления кислорода (БПК) между двумя створами. По увеличению показателя БПК судят о самоочищающей способности водотока в фарватере. Технический результат: определение изменения БПК по длине водотока малоизученных средних и малых рек с учетом гидравлических факторов в реке и фрактальной размерности реки.

 

Изобретение относится к инженерной экологии и гидрологии и может быть использовано при моделировании изменения качества воды поверхностных водотоков.

Самоочищение поверхностных вод - это совокупность взаимосвязанных гидродинамических, физико-химических, микробиологических и гидробиологических процессов, ведущих впоследствии к восстановлению первоначального состояния водного объекта. Преобладающую роль среди этих процессов играет окисление.

Процесс окисления органических веществ зависит от количества кислорода, поступающего из атмосферы в процессе реаэрации, и определяется условиями перемешивания и температурным режимом водных объектов. Количество кислорода, требуемое для протекания процесса окисления, обозначается как биохимическое потребление кислорода (БПК5).

Самоочищение поверхностных вод зависит от температуры, расхода воды, морфометрических параметров водотоков и др. В водоеме одновременно происходит, с одной стороны, потребление кислорода на минерализацию органических веществ, а с другой - пополнение его за счет растворения кислорода, поступающего с поверхности водного зеркала, т.е. так называемая реаэрация (Яковлев С.В., Карелин Я.А., Жуков А.И., Колобанов С.К. Канализация. Учебник для вузов. Изд. 5-е, перераб. и доп. – М.: Стройиздат, 1975. - 632 с., с. 189).

Известен способ гидрографической оценки антропогенно измененных частей речной сети по численности водотоков (патент РФ №2538039, G01C 13/00, 20.06.2013), суть которого сводится к построению гидрографической схемы речной сети на основе фрактальной группировки притоков речной сети или ее выделенной части по единому экспоненциальному закону спада длины притоков и сравнению разветвленности речной сети до и после населенного пункта или другого крупного антропогенного объекта.

К недостаткам способа относятся трудоемкость и необходимость анализа большого количества данных, в частности необходима таблица с длинами притоков разного порядка. Не прослеживается четкая взаимосвязь между сокращением количества притоков и увеличением антропогенной нагрузки (это могут быть и особенности рельефа). Нет возможности проследить изменения гидрохимического состава.

Известен способ определения коэффициента извилистости русла реки (заявка на изобретение №2013156701, G01C 13/00, 27.06.2015), согласно которому предлагаются формулы для определения коэффициента извилистости Kизв и длины реки L с использованием фрактальной размерности D.

Kизв=0.7483(D1/0 0994/0.056)0.1411;

Недостатком способа является отсутствие связи с изменением качественных характеристик водотока.

Наиболее близким к предлагаемому является способ определения коэффициента реаэрации по формуле A=Q⋅(La-Lt)/F (Яковлев С.В., Карелин Я.А., Жуков А.И., Колобанов С.К. Канализация. Учебник для вузов. Изд. 5-е, перераб. и доп. – М.: Стройиздат, 1975. - 632 с., с. 193), применяемый в случаях, когда количество растворенного кислорода в начальном и конечном створах остается одинаковым и, следовательно, все снижение БПК на рассматриваемом участке происходит за счет кислорода, поступающего с поверхности, т.е. реаэрации.

К недостаткам ближайшего аналога относится отсутствие учета гидравлических особенностей потока и морфометрических параметров речных систем.

Задача изобретения - установление зависимости между изменением показателя качества воды малых и средних рек и их гидравлическими и морфологическими характеристиками.

Технический результат: определение изменения биологического потребления кислорода (БПК5) по длине водотока малоизученных средних и малых рек с учетом гидравлических факторов в реке и фрактальной размерности реки.

Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что в способе определения среднегодовой самоочищающей способности водотока в фарватере реку и ее притоки на цифровой топографической карте разбивают на квадраты размером δ×δ, вычисляют количество квадратов N, покрывающих реку, и каждый ее приток, согласно изобретению определяют фрактальную размерность реки по формуле:

далее вычисляют изменение показателя биологического потребления кислорода ΔL между двумя створами по формуле:

где А - коэффициент реаэрации, г/сут⋅м2,

b - ширина реки, м,

Lф - длина реки по фарватеру, м,

Q - расход воды в реке, м3/с,

ξ - коэффициент, зависящий от расположения впуска загрязняющих веществ в реку,

Нср - средняя глубина реки между двумя створами, м,

и по увеличению показателя ΔL судят о самоочищающей способности водотока.

Фрактальная размерность D рассчитывается по формуле, предложенной Б. Мандельбротом (Мандельброт Б. Фрактальная геометрия природы. - М.: Институт компьютерных исследований, 2002. - 656 с., с. 52).

В настоящее время реки испытывают большую антропогенную нагрузку, и более всего уязвимы малые и средние реки. Несмотря на широкую распространенность, механизм их самоочищения, ввиду недостатка данных наблюдений, остается малоизученным. В этой связи для комплексной оценки изменения качества воды речных систем необходимо проводить исследования их изменений с применением математического моделирования, например с использованием фрактального анализа.

Фрактальный анализ является универсальным математическим методом, позволяющим характеризовать большинство природных объектов и процессов, в том числе и речные сети. Его очевидное достоинство состоит в том, что он дает возможность получать численное описание природных структур различного генезиса и анализировать их изменения, обусловленные физико-географическими особенностями и антропогенным воздействием [Гладков А.С., Лунина О.В., Шишкина Л.П. Фрактальный анализ тектонической трещиноватости и речной сети Прибайкалья // Рельефообразующие процессы: теория, практика, методы исследования: Материалы XXVIII Пленума геоморфол. комис. РАН. - Новосибирск: ИГ СО РАН, 2004. - С. 78-80]. Фрактальную размерность можно рассматривать как меру извилистости водотока.

Определение ΔL производят в следующем порядке:

Сначала в формуле определения коэффициента реаэрации:

где А - коэффициент реаэрации, г/сут⋅м2,

La, Lt - БПК5 в начальном и конечном пунктах, г/м3 (ΔL=La-Lt),

Q - расход воды в реке, м3/сут,

F - площадь поверхности водного зеркала на всем протяжении участка от начального до конечного пункта, м2, значение F выражается как

b - ширина реки, м,

Представленная формула 3 не учитывает гидравлические факторы в реке, поэтому предлагается дополнить ее коэффициентом α:

где α - коэффициент, учитывающий гидравлические факторы в реке,

ξ - коэффициент, зависящий от расположения впуска загрязняющих веществ в реку (в фарватер ξ=1,5),

ϕ - коэффициент извилистости, определяется по формуле:

Lф - длина реки по фарватеру, м,

Lпр - длина реки по прямой, м, при этом , (Мандельброт Б. Фрактальная геометрия природы. - М.: Институт компьютерных исследований, 2002. - 656 с., с. 163), тогда коэффициент извилистости равен:

qm - расход сточных вод, м3/сут,

E - коэффициент турбулентной диффузии, рассчитывается по формуле:

Зная, что

где, Vср - средняя скорость течения реки на участке между контрольными створами, м/с,

ω-πR2/2 - живое сечение реки (принимается, что R=Нср).

Из формул 8 и 9 выводим:

Объединяя формулы 3-10, получаем коэффициент реаэрации:

Из полученного соотношения получаем формулу расчета ΔL:

Пример конкретной реализации способа

На топографической карте Республики Башкортостан был выбран участок малой реки между двумя населенными пунктами. Определена фрактальная размерность участка реки по формуле 1, положенной в основу программы «Автоматизированный расчет фрактальной размерности» (Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2014618323 от 25.06.2014), которая составила D=1,21.

Известны следующие характеристики реки:

длина участка реки Lф=85 км,

среднегодовой коэффициент реаэрации А=5 г/сут⋅м2,

минимальная ширина реки b=2 м,

расход Q=2,96 м3/с,

ξ - коэффициент, зависящий от расположения впуска загрязняющих веществ в реку (в фарватер = 1,5),

средняя глубина Hср=0,5 м.

Данные подставляются в формулу:

Сверяем полученное значение изменения показателя биологического потребления кислорода ΔL с значениями БПК5, полученных при анализе проб воды, отобранных в контрольных створах.

La=5,1 мг О2/л,

Lt=3,4 мг О2/л,

ΔL=1,7 мг О2/л.

Увеличение показателя ΔL (1,7) позволяет судить о снижении биологического потребления кислорода по течению реки. Таким образом, заявляемое изобретение позволяет оперативно определить среднегодовую самоочищающую способность водотока.

Способ определения среднегодовой самоочищающей способности водотока в фарватере, по которому реку и ее притоки на цифровой топографической карте разбивают на квадраты размером δ×δ, вычисляют количество квадратов N, покрывающих реку и каждый ее приток, отличающийся тем, что определяют фрактальную размерность реки по формуле:

далее вычисляют изменение показателя биологического потребления кислорода ΔL между двумя створами по формуле:

где A - коэффициент реаэрации, г/сут⋅м2,

b - ширина реки, м,

Lф - длина реки по фарватеру, м,

Q - расход воды в реке, м3/с,

ξ - коэффициент, зависящий от расположения впуска загрязняющих веществ в реку,

Нср - средняя глубина реки между двумя створами, м,

и по увеличению показателя ΔL судят о самоочищающей способности водотока.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к индикатору проникновения воды, использующему структуру капсулы с двойным покрытием. Индикатор включает первый и второй разделительные слои, первый и второй клеевые слои, первый и второй покрывающие слои, первый и второй водонепроницаемые слои, водопоглощающий слой, слой красителя, выполненный печатанием на задней поверхности водопоглощающего слоя, и защитный слой для красителя.

Изобретение относится к области океанологии, гидрофизики, геохимии и экологии морей и может быть использовано для получения первичного материала с целью анализа взвеси, состава воды, а также для исследования связи донных осадков с картиной подводных течений и временное их распределение.

Изобретение относится к аналитической химии и касается способа определения селена в воде. Сущность способа заключается в том, что к анализируемому раствору добавляют 0,4 мл раствора 3%-ного щелочного борогидрида натрия восстановителя, закрывают пробкой, встряхивают и оставляют на 5 мин для восстановления селена до селеноводорода.

Изобретение относится к экологии, а именно к охране окружающей природной среды, и может быть использовано для оперативной биоиндикации и биомониторинга морских и пресных вод, включая питьевую и сточные воды.

Изобретение относится к экологии, а именно охране окружающей среды и способам мониторинга состояния пресных водоемов методом биоиндикации для оценки антропогенного загрязнения природных водоемов ртутью.

Изобретение относится к аналитической химии, а именно к методам определения нитрит-ионов, и может быть использовано при их определении в питьевых и минеральных водах.

Изобретение относится к гигиенической медицине и экологии и может найти применение при оценке санитарного состояния водоемов. Для этого определяют микробиологическую загрязненность воды.

Использование: для автоматического контроля водного теплоносителя на ТЭС и АЭС. Сущность изобретения заключается в том, что способ включает последовательные операции подготовки проточной пробы путем охлаждения пробы до 10-50°C и понижения давления до атмосферного, кондуктометрического измерения электропроводности (χt) и температуры (t) прямой пробы, пропуск пробы через H-катионитовую колонку, кондуктометрического измерения электропроводности (χt H) и температуры (tH) H-катионированной пробы, приведения измеренных величин электропроводности к температуре 25°C (χ, χH), проверки на достоверность, определения разности значений электропроводностей прямой и H-катионированной пробы (χ- χH) и расчет значения pH решением системы уравнений ионных равновесий водного раствора.

Изобретение относится к газонефтедобыче и может быть использовано на стадии эксплуатации скважин газовых и газоконденсатных месторождений для определения природы воды, поступающей в продукцию скважин.

Группа изобретений относится к области охраны окружающей среды, в частности к методам и средствам биомониторинга водной среды. Способ включает проведение мониторинга качества воды путем автоматической дистанционной непрерывной регистрации в реальном масштабе времени поведенческих и/или физиологических реакций водных тест-объектов, находящихся в аквариумах, через которые пропускают тестируемую воду стабилизированной температуры, а контроль качества воды проводят по изменениям состояния тест-объектов, при этом осуществляют автоматическое перенаправление тестируемой воды через три и более аквариумов, с находящимися в них водными тест-объектами, при этом подаваемый поток тестируемой воды в каждый момент времени проходит только через один аквариум, а в других - циркуляцию воды осуществляют внутри аквариумов без подачи внешней воды, причем период перенаправления потока тестируемой воды из одного аквариума в другой равен времени, достаточному для оценки поведенческих и/или физиологических реакций водных тест-объектов, смены большей части циркулируемой в аквариуме воды при скорости потока воды, обеспечивающей поддержание в ней стабильной среды для жизнеобеспечения водных тест-объектов, а контроль качества тестируемой воды проводят путем сравнения между собой результатов состояния поведенческих и физиологических реакций водных тест-объектов в моменты времени прохождения протоков тестовой воды в аквариумах.

Группа изобретений относится к области определения биохимического потребления растворенного кислорода в воде. Устройство для экспресс-анализа биохимического потребления растворенного кислорода содержит измерительный резервуар, выполненный в виде проточной амперометрической ячейки, включающий электрод сравнения и рабочий электрод в виде амперометрического датчика растворенного кислорода, блок коммутации, вычислительный блок суммирования, вычислительный блок вычисления и сравнения, вычислительный блок измерения и индикации. При этом устройство снабжено блоком водоподготовки, амперометрическая ячейка снабжена мембраной, помещенной перед рабочим электродом, с иммобилизованным на ней активным илом, а электрод сравнения и рабочий электрод выходами подключены к входам вычислительного блока сравнения и вычислительного блока суммирования, выход вычислительного блока суммирования соединен с входом вычислительного блока измерения и индикации. Также раскрывается способ экспресс-анализа биохимического потребления растворенного кислорода с использованием описанного выше устройства. Группа изобретений обеспечивает расширение функциональных возможностей и повышение точности анализа. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к области медицины, в частности к способу получения стандартного образца сульфатного скипидара. Способ получения стандартного образца сульфатного скипидара, включающий отбор пробы воды, двукратную экстракцию сульфатного скипидара диэтиловым эфиром, эфирные вытяжки, полученные после экстракций, объединяют, колбу, в которой экстрагировали образцы воды, промывают диэтиловым эфиром и присоединяют полученную вытяжку к вытяжкам, полученным ранее, собранные эфирные вытяжки промывают дистиллированной водой, затем полученный эфирный слой отделяют от воды и осуществляют его сушку сульфатом натрия, после чего отгоняют диэтиловый эфир из полученного сульфатного скипидара и готовят стандартный раствор путем внесения 0,00005-0,0001 грамм сульфатного скипидара в виалу на 1,5 мл, разбавляют хлористым метиленом до метки и определяют содержание компонентов сульфатного скипидара методом хромато-масс-спектрометрии. Вышеописанный способ позволяет получить стандартный образец сульфатного скипидара. 1 табл., 4 пр.

Изобретение относится к области аналитической химии и может быть использовано при экологическом мониторинге природных, сточных вод при контроле состояния объектов окружающей среды. Способ определения примесей этилбензола, декана, никотиновой кислоты, никотинамида в воде включает в себя отбор проб в картридж, наполненный полимерным сорбентом. В качестве полимерного сорбента используют сшитый акриловый сополимер акриламида, содержащего в своем составе макромолекулы от 5 до 100 мол.% карбоксилатных звеньев диметиламиноэтилметакрилата или 2-акриламидо-пропансульфокислоты или 1-10% звеньев хитозана со степенью водопоглощения от 10 до 200 г/г. Проводят анализ содержимого экстракта из сорбента с помощью известных аналитических методов. Использование способа позволяет сократить продолжительность отбора водной пробы в различных температурных режимах окружающей среды в 10 раз и определение в жидкой пробе таких классов органических веществ, как предельные и ароматические углеводороды, органические амиды и кислоты. 1 табл., 5 пр.

Изобретение относится к области аналитической химии применительно к оценке суммарных содержаний однотипных органических соединений с помощью оптических средств. Способ включает: отбор пробы, экстракцию углеводородов тетрахлорметаном, сорбционную очистку экстракта с помощью Al2O3, измерения оптической плотности очищенного экстракта и градуировочных растворов в ИК-области спектра при нескольких значениях волновых чисел и построение градуировочной зависимости, в качестве градуировочных растворов используют не менее 15 очищенных экстрактов из водных растворов с известными суммарными содержаниями, но разными наборами и разными соотношениями индивидуальных углеводородов, а суммарное содержание углеводородов в воде рассчитывают без пересчета на стандартное вещество, используя формулу ,где Ai - оптическая плотность экстракта из пробы при i-м волновом числе (измеряется);Ki - значения регрессионных коэффициентов при i-м волновом числе.Регрессионные коэффициенты рассчитывают путем решения системы уравнений вида ,где aij - оптическая плотность j-го градуировочного раствора (экстракта из водного раствора с известным содержанием УВ) при j-м волновом числе (измеряется);cj - суммарное содержание УВ в j-м градуировочном растворе (известно). Достигается повышение точности анализа. 1 з.п. ф-лы, 3 ил., 9 табл., 3 пр.
Наверх