RU2606555C1 - Способ определения среднегодовой самоочищающей способности водотока в фарватере - Google Patents
Способ определения среднегодовой самоочищающей способности водотока в фарватере Download PDFInfo
- Publication number
- RU2606555C1 RU2606555C1 RU2015131203A RU2015131203A RU2606555C1 RU 2606555 C1 RU2606555 C1 RU 2606555C1 RU 2015131203 A RU2015131203 A RU 2015131203A RU 2015131203 A RU2015131203 A RU 2015131203A RU 2606555 C1 RU2606555 C1 RU 2606555C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- river
- fairway
- tributaries
- squares
- water flow
- Prior art date
Links
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 17
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 title claims abstract description 8
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 16
- 230000008859 change Effects 0.000 claims abstract description 7
- 230000036284 oxygen consumption Effects 0.000 claims abstract description 7
- 239000003344 environmental pollutant Substances 0.000 claims description 4
- 231100000719 pollutant Toxicity 0.000 claims description 4
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- 239000002352 surface water Substances 0.000 abstract description 3
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 6
- 230000008569 process Effects 0.000 description 6
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 4
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 3
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 3
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 3
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 2
- 230000003562 morphometric effect Effects 0.000 description 2
- 238000013425 morphometry Methods 0.000 description 2
- 238000000746 purification Methods 0.000 description 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 230000033558 biomineral tissue development Effects 0.000 description 1
- 238000004590 computer program Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 238000012067 mathematical method Methods 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 230000002906 microbiologic effect Effects 0.000 description 1
- 230000000877 morphologic effect Effects 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 239000013589 supplement Substances 0.000 description 1
- 239000002351 wastewater Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
- G01N33/18—Water
- G01N33/1806—Biological oxygen demand [BOD] or chemical oxygen demand [COD]
Landscapes
- Management, Administration, Business Operations System, And Electronic Commerce (AREA)
Abstract
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.
Description
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.
Claims (11)
- 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.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015131203A RU2606555C1 (ru) | 2015-07-27 | 2015-07-27 | Способ определения среднегодовой самоочищающей способности водотока в фарватере |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015131203A RU2606555C1 (ru) | 2015-07-27 | 2015-07-27 | Способ определения среднегодовой самоочищающей способности водотока в фарватере |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2606555C1 true RU2606555C1 (ru) | 2017-01-10 |
Family
ID=58452854
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2015131203A RU2606555C1 (ru) | 2015-07-27 | 2015-07-27 | Способ определения среднегодовой самоочищающей способности водотока в фарватере |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2606555C1 (ru) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108959754A (zh) * | 2018-06-26 | 2018-12-07 | 榆林学院 | 一种河流生态基础流量的计算方法 |
| CN111079085A (zh) * | 2019-12-05 | 2020-04-28 | 西安理工大学 | 一种考虑提升量的生态流量确定方法 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1460702A1 (ru) * | 1986-12-26 | 1989-02-23 | Всесоюзный Научно-Исследовательский Институт По Охране Вод | Способ оценки вли ни сточных вод на состо ние водного объекта |
| RU2554334C1 (ru) * | 2013-12-19 | 2015-06-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" | Способ определения коэффициента извилистости русла реки |
-
2015
- 2015-07-27 RU RU2015131203A patent/RU2606555C1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1460702A1 (ru) * | 1986-12-26 | 1989-02-23 | Всесоюзный Научно-Исследовательский Институт По Охране Вод | Способ оценки вли ни сточных вод на состо ние водного объекта |
| RU2554334C1 (ru) * | 2013-12-19 | 2015-06-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" | Способ определения коэффициента извилистости русла реки |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Тунакова Ю.А. и др. Разработка методики определения самоочищающей способности рек на основе фрактальной геометрии для установления допустимого антропогенного воздействия / XI Всероссийская конференция "Химия и инженерная экология" с международным участием, г. Казань, 01-03 июля 2015 г. * |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108959754A (zh) * | 2018-06-26 | 2018-12-07 | 榆林学院 | 一种河流生态基础流量的计算方法 |
| CN111079085A (zh) * | 2019-12-05 | 2020-04-28 | 西安理工大学 | 一种考虑提升量的生态流量确定方法 |
| CN111079085B (zh) * | 2019-12-05 | 2023-03-24 | 西安理工大学 | 一种考虑提升量的生态流量确定方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Bieroza et al. | The concentration-discharge slope as a tool for water quality management | |
| Lassabatere et al. | Beerkan multi-runs for characterizing water infiltration and spatial variability of soil hydraulic properties across scales | |
| CN108614086A (zh) | 一种评价湖泊富营养化的方法 | |
| RU2415420C1 (ru) | Способ измерения загрязнения реки сточными водами | |
| Wang et al. | Influences of hydrodynamic conditions on the biomass of benthic diatoms in a natural stream | |
| RU2606555C1 (ru) | Способ определения среднегодовой самоочищающей способности водотока в фарватере | |
| Wirtz et al. | Do deterministic sediment detachment and transport equations adequately represent the process-interactions in eroding rills? An experimental field study | |
| CN105178242B (zh) | 一种基于生物絮凝的水沙动力学模拟方法 | |
| CN112307602A (zh) | 一种地下水污染源信息和水力渗透系数场联合反演的方法 | |
| CN111651855B (zh) | 基于物理模型的河网区水质断面污染贡献率核算方法 | |
| Baker et al. | Conservative and reactive solute dynamics | |
| WO2011030013A4 (fr) | Procédé de modélisation déterministe des écoulements en milieu poreux | |
| Du et al. | Spatial distribution patterns across multiple microbial taxonomic groups | |
| Lee et al. | Factors dominating stratification cycle and seasonal water quality variation in a Korean estuarine reservoir | |
| Termini | Non-uniform sediment transport estimation in non-equilibrium situations: case studies | |
| CN108229849B (zh) | 确定小型河道污染物降解系数不确定性及其风险程度的方法 | |
| CN110208458B (zh) | 用于研究水动力学条件下有机物降解系数变化的试验装置及方法 | |
| CN108229012B (zh) | 渠道水位流量关系模型的求解方法 | |
| Burt et al. | Stream water quality in the Slapton catchments: a meta-analysis of key trends since 1970 | |
| Fatxulloyev et al. | The discounting water influence estimation on the results of the annual concentration calculation and runoff volume of the Pskem river biogenous substances | |
| Fard et al. | Study factors influencing the hydraulic roughness coefficient of the Karun river (Iran) | |
| Crowther et al. | A one-dimensional microbiological pollution model of the Upper Clyde Estuary | |
| BEKEN et al. | Nutrients, chlorophyll-a and dissolved oxygen dynamics in the coastal water bodies and marine waters of the Southern Black Sea | |
| RU2269775C2 (ru) | Способ измерения загрязнения реки сточными водами | |
| CN106021881B (zh) | 一种保持河道规模的临界流量计算方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20170728 |