Способ определения среднегодовой самоочищающей способности водотока в фарватере

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.

Изобретение относится к системам водоотведения, а именно к способам оценки контроля сбросов сточных вод от выпусков (водоотводов) абонентов в канализацию. Способ содержит регистрацию наличия в воде признаков загрязнителей и анализ пробы сливной воды на превышение предельно допустимых значений загрязнителей в сливной воде. В нем выполняют разбиение сети водоотведения населенного пункта на непересекающиеся районы с минимальным количеством, преимущественно одним, выпусков воды из них. Регистрацию наличия в воде признаков загрязнителей осуществляют при превышении в анализе пробы воды, отобранной в случайное время и в случайно выбранной точке, расположенной на выпуске/выпусках воды непересекающихся районов, допустимых концентраций. На этапе обследования непересекающихся районов определяют перспективных абонентов, а анализ пробы сливной воды на превышение предельно допустимых значений загрязнителей в сливной воде выполняют только у перспективных абонентов. Техническим результатом изобретения является снижение капитальных затрат, необходимых для выявления абонентов, в сливных водах которых превышаются предельно допустимые значения загрязнителей в сливной воде, т.к. отсутствует необходимость устанавливать дорогостоящие роботы-пробоотборники на водовыпусках каждого абонента населенного пункта. 8 з.п. ф-лы, 1 ил., 2 табл.

Изобретение относится к области экологического мониторинга и может быть использовано для обнаружения нефтяных разливов. Способ обнаружения разливов нефти или нефтепродуктов на поверхности водоема заключается в установке тепловизора на беспилотный летательный аппарат, располагаемый в зависшем состоянии над зоной разлива, тепловизор осуществляет съемку в виде ряда цифровых изображений, которые через приемно-передающее устройство беспилотного летательного аппарата передаются в режиме реального времени на пункт круглосуточного дистанционного наблюдения, где оцениваются параметры разлива нефти или нефтепродуктов. На основании данной информации строятся прогнозные карты распространения разливов нефти или нефтепродуктов, которые в виде телеметрической информации передаются на экипажные или безэкипажные катера, которые осуществляют развертывание в районе загрязнений боновых заграждений и осуществляют последующий сбор нефти или нефтепродуктов. Предлагаемый способ позволяет минимизировать интервал времени от обнаружения разлива нефти до его сбора, повысить точность определения координат разливов, снизить трудозатраты. 1 ил.

Устройство включает лотки, в каждом из которых установлен моллюск и преобразователь перемещения его свободной створки, который содержит датчик Холла, взаимодействующий с постоянным магнитом, связанным со свободной створкой моллюска. Выходы датчиков Холла подключены к коммутатору, подключенному к преобразователю напряжение - цифра, подключенному к блоку регистрации и управления, который является выходом устройства. Моллюск одной своей створкой жестко закреплен на основании лотка, преобразователь перемещения свободной створки моллюска содержит закрепленный на основании лотка каркас, на котором закреплены под острым углом друг к другу жесткая планка, на конце которой в зоне размещения моллюска закреплен датчик Холла, и выполненная из упругого необрастающего пластика гибкая планка, конец которой опирается на свободную створку моллюска. Напротив датчика Холла на конце планки закреплен постоянный магнит. На жесткой планке в зоне размещения моллюска закреплен светодиод, подключенный к управляемому источнику питания и блоку регистрации и управления. Изобретение обеспечивает повышение чувствительности и точности измерений. 2 ил.

Изобретение относится к биотехнологии и может быть использовано для биоиндикации вод, загрязненных поверхностно-активными веществами (ПАВ). Способ предусматривает инкубацию рачков Epischura baicalensis Sars отряда Copepoda в исследуемом и контрольном растворах с последующим просмотром их под микроскопом. При этом о присутствии поверхностно-активных веществ в воде судят по изменению формы, размеров и количества жировых включений. Изобретение позволяет повысить эффективность биоиндикации поверхностно-активных веществ в воде. 3 ил.

Изобретение относится к области экологии, в частности к средствам для биомониторинга. Устройство для контроля физиологического состояния гидробионтов содержит регистрирующие электроды; блок анализа физиологического состояния тестовых гидробионтов, соединенный с компьютером; излучающие электроды, размещенные на неподвижном основании в области размещения тестовых гидробионтов. При этом регистрирующие электроды предназначены для закрепления их на тестовых гидробионтах; блок анализа физиологического состояния содержит генераторы переменного тока, измеритель амплитуды и фазы потенциала и процессор; излучающие электроды соединены с выходами генераторов переменного тока, входы которых соединены с выходами процессора; регистрирующие электроды соединены с входом измерителя амплитуды и фазы потенциала, выход которого соединен с входом процессора, а выход процессора соединен с персональным компьютером. Изобретение обеспечивает повышение достоверности контроля физиологического состояния гидробионтов. 6 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к аналитической химии и может быть использовано для определения гидрокарбонат-ионов при анализе минеральных вод методом потенциометрического титрования, включающего титрование пробы минеральной воды кислотным титрантом и измерение рН в растворе потенциометрической ячейки при добавлении каждой порции титранта. В качестве титранта используют раствор хлористоводородной кислоты (НС1), точную концентрацию которого устанавливают по буре (натрий тетраборнокислый - Na2B4O7⋅10Н2О). Для этого10 см3 минеральной воды вносят в электрохимическую ячейку с двумя электродами - стеклянным (измерительным) и хлорсеребряным (вспомогательным), подключенными к рН-метру-милливольтметру (рН-150), затем добавляют одну каплю 0,1%-ного раствора индикатора метилового оранжевого. Раствор НСl добавляют из бюретки при перемешивании реакционной смеси на магнитной мешалке. При титровании экспериментальные данные получают одновременно двумя методами - методом кислотно-основного титрования (нейтрализация) и потенциометрическим титрованием, после прибавления каждой порции титранта раствор перемешивают до установления постоянного показания рН на табло прибора, затем фиксируют по прибору значение рН анализируемого раствора (потенциометрическое титрование), а после изменения цвета раствора в присутствии индикатора измеряют общий объем титранта (VТЭ) по бюретке (метод кислотно-основного титрования). Каждый анализ повторяют 3 раза. Полученные результаты вводят в программу компьютера, которая осуществляет расчет с проведением статистической обработки. Изобретение обеспечивает снижение стоимости, сложности и проведение экспресс-анализа минеральных вод. 1 ил., 12 табл.

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 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.

Наверх