Модель формирования поля загрязнения воды на приплотинной части акватории братского водохранилища (стр. 1 )

§ 5.3. МОДЕЛЬ ФОРМИРОВАНИЯ ПОЛЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ВОДЫ НА ПРИПЛОТИННОЙ ЧАСТИ АКВАТОРИИ БРАТСКОГО ВОДОХРАНИЛИЩА

Рассмотрим еще одну модель формирования качества воды для объекта, характеризующегося малой проточностью. Эта модель была разработана для прогноза воздействия стоков золоотвала Иркутской ТЭЦ-6 на Братское водохранилище в рамках ОВОС при проектировании наращивания его дамбы [Расширение и реконструкция … , 2000]. Работа была выполнена совместно с .

Иркутская ТЭЦ-6 является одним из основных предприятий города Братска. Ее золоотвал примыкает непосредственно к береговой линии Братского водохранилища. Зона его заметного влияния на поверхностные воды может захватывать участок водохранилища, показанный на рис.5.3.1. В нормальных условиях эксплуатации происходит загрязнение воды только растворенными веществами, входящими в состав фильтрационных стоков, разгружающихся залив Сухой Лог. Интенсивность этого потока зависит от соотношения уровней прудка золоотвала и водохранилища. При аварийном разрушении дамбы золоотвала в воды Братского водохранилища достаточно быстро (примерно в течение одних-двух суток) поступает значительное количество как растворенных, так и взвешенных веществ. Условия транзита и разбавления примесей, попадающих со сточными водами золоотвала в залив Сухой Лог, определяются текущими гидрометеорологическими условиями (уровнем водохранилища, расходом через плотину ГЭС, ветровым режимом, стратификацией вод и т. д.) и также имеют существенную временную изменчивость разных масштабов - от синоптических до межгодовых.

В зоне потенциального воздействия золоотвала находится водозабор БЛПК, являющийся основным источником промышленного и бытового водоснабжения г. Братска. Для этой точки водохранилища необходимо определить вклад стоков из золоотвала в формирование качества забираемой воды в бытовых условиях и продолжительность аномального повышения концентрации загрязнителей при аварийной ситуации. Решение обеих этих задач требует оценки как временной, так и пространственной динамики поля загрязнения.

Загрязнение Братского водохранилища формируется в области со сложной конфигурацией, в условиях термической стратификации вод и наличия течений разного генезиса. С учетом этого, прогнозные расчеты

Рис. 5.3.1. Схема приплотинного участка Братского водохранилища. Более темным цветом выделена область, для которой производились модельные расчеты.

пространственно-временной динамики не могут быть выполнены в рамках одной из упрощенных методик, рекомендуемых для оценки воздействия и  нормирования сбросов сточных вод [Временные указания … ,1986; Методические основы … , 1987 и т. д.]. В данном случае, также как и в двух предыдущих, требуется решать общую задачу переноса и разбавления сточных вод, применяя методы имитационного моделирования.

Концептуальные положения и принципы построения модели, удовлетворяющей сформулированным требованиям, были описаны в предыдущем параграфе. Основные отличия модели, разрабатываемой для данной задачи, от модели, описанной в § 5.2, сводятся следующему:

при использовании метода Монте-Карло для моделирования динамики поля загрязнения воды применено вероятностное описание приближенных значений координат для частиц примеси, что позволило получить достаточно подробную и гладкую оценку динамики поля загрязнения при сравнительно небольшом количестве статистических испытаний. в модели имитировалась динамика распределения не одного, а нескольких как взвешенных, так и растворенных в воде приоритетных загрязняющих ингредиентов; при оценке полей осредненных и пульсационных скоростей течения на рассматриваемом участке водохранилища в большей мере использовались экспертные оценки и теоретические сведения, а не материалы наблюдений, как это было в предыдущем случае.

5.3.1. Источники данных о моделируемых процессах и особенности их описания

Средние горизонтальные скорости течения

Средние скорости течения, необходимые для расчетов по модели, могут быть получены путем осреднения с заданными пространственно-временными масштабами данных измерений или оценены из теоретических или экспертных соображений. Как показал обзор имеющихся эмпирических материалов [Гидрологические ежегодники, 1973-1999; Материалы наблюдений … , 1973-1980; Отчет о гидрометеорологическом режиме… , 1999], в данном случае их явно недостаточно для задания значений нужных компонент скорости течений. Это обстоятельство обусловило необходимость привлечения значительного количества информации в форме общетеоретических сведений и экспертных мнений для получения требуемых оценок.

При моделировании средняя скорость горизонтальных течений рассматривалась как векторная сумма нескольких компонент:

транзитной стоковой компоненты, обусловленной проточностью рассматриваемого участка акватории водохранилища при постоянном его уровне; макроциклической компоненты, образованной крупномасштабными вихревыми потоками, связанными с основными стоковыми течениями; ветровой компоненты (прямой и компенсационной), возникающей в период открытой воды при достаточно продолжительном ветре. динамической компоненты, связанной с изменением уровня водохранилища; стоковой компоненты, вызываемой аварийным сбросом вод и шлаков зоолотовала в залив Сухой лог.

Рассмотрим основные положения алгоритмов задания названных характеристик.

Транзитная и макроциклическая компоненты. В рассматриваемой модели оценка транзитной и вихревой компонент производится по следующему алгоритму.

1. Выделенная часть акватории Братского водохранилища разбивается на три области (рис. 5.3.2), в которых преимущественно реализуется транзитный или макроциклический перенос.

2. С учетом распределения глубин проводятся основные линии тока, примерно задающие направление движения воды, обусловленные как тем, так и другим переносом.

3. Для определения среднего модуля скорости транзитной компоненты в характерных створах проводятся вертикальные сечения, ортогональные линиям тока этих стоковых течений. Среднее по сечению значение транзитной скорости рассчитывается как отношение текущего расхода через Братскую ГЭС (Q) к площади соответствующего сечения (S).

4. Распределение суммарного потока по створу задается выражением:

,

где - модуль средней по вертикали скорости течения, h - глубина места, a - константа, определяемая из условия нормирования распределенного потока на суммарный (здесь и далее константы определяются с учетом выбранных единиц измерения переменных).

5. Распределение стоковой скорости по вертикали для периода открытой воды находится из соотношения:

,

где  z - расстояние от поверхности водоема до текущей  горизонтали, b – константа, определяемая из балансового соотношения:

.

Для ледового периода распределение скорости течения по вертикали принято, в первом приближении, равномерным, в соответствии с данными измерений [Отчет о гидрометеорологическом режиме… , 1999].

Рис.5.3.2. Области преимущественно транзитного (0) и преимущественно макроциклического (1, 2) движения воды, возникающего при стоковых течениях.

6. Для задания средней по вертикали скорости макроциклической компоненты делается несколько утверждений. Во-первых, считается, что ее модуль равен модулю транзитной скорости в точках соприкосновения границ соответствующих областей. Во-вторых, центре вихря модуль средней скорости полагается равным нулю. В третьих, характер нарастания модуля средней по вертикали циклической компоненты скорости от центра вихря до его края принимается, в первом приближении, линейным. Направление скорости определяется заданными с помощью экспертов линиями тока. Ортогонально этим линиям проводятся несколько сечений. Вихревой поток через каждое из таких сечений полагается одинаковым. Объединение всех названных ограничений позволяет оценить в выбранных точках среднюю скорость вихревого движения. Распределение ее по вертикали определяется по тем же правилам, что и распределение транзитной скорости.

7. После того, как средние по вертикали значения транзитной и вихревой компонент оказываются заданными в конечном числе точек на линиях соответствующих сечений, поле средней скорости, складывающееся из этих компонент, интерполируется на регулярную сетку с выбранным шагом по пространству.

Ветровые компоненты. Значения модулей скорости ветровых компонент определяются на основе общих закономерностей их формирования [Lin, Perez, 1971; Судольский, 1991] и по материалам специальных наблюдений на Братском водохранилище [Братское водохранилище, 1978; Метеорологический ежемесячник, 1970-1998]. В качестве окончательной компромиссной зависимости скорости поверхностного ветрового течения v3 от скорости ветра принято соотношение:

,

где W – скорость ветра на высоте 5 м от поверхности водоема. Направление поверхностной ветровой компоненты совпадает с направлением ветра.

С установлением поверхностных ветровых течений всегда возникают и компенсирующие их потоки. Модули и направления таких потоков зависят от многих факторов. На разных вертикалях могут возникать как однонаправленные, так и разнонаправленные потоки. Обобщенные по данным измерений в различных водоемах, лабораторным измерениям и теоретическим оценкам распределения скорости ветрового течения имеют вид, показанный на рис.5.3.3. В рамках данной модели принимается, что компенсация поверхностного ветрового течения осуществляется противоположным ему по направлению придонным течением. Значения ветровых скоростей рассчитываются непосредственно для каждой ячейки расчетной схемы по данным о направлении и силе ветра, а также глубине места.