Общая характеристика гидросистемы

Объектом исследования является нижнее течение р.Невы в пределах Санкт-Петербурга (от впадения р.Славянки до устьевого взморья). В рассматриваемом районе можно выделить 3 участка, существенно отличающихся по гидрологическому режиму:

- от р.Славянки до Литейного моста, где Нева течет единым потоком, справа в нее впадает р.Охта, слева отходит Обводный канал;

- от Литейного моста до устья Невы, включая дельту Невы, где река делится на 5 основных рукавов - Большая и Малая Нева, Большая, Малая и Средняя Невка, и многочисленные протоки и каналы;

- устьевое взморье, или бар Невы, являющийся подводным продолжением дельты. Бар Невы представляет собой систему отмелей, разделенных продольными ложбинами-фарватерами (Елагинский, Петровский, Галерный, Корабельный и Гребной). Длина бара с востока на запад 3-5 км, ширина с севера на юг 12-15 км. Елагинский фарватер собирает в один поток воды Средней и Большой Невок, продолжением Малой Невки является Петровский фарватер, от устья Большой Невы отходят Галерный и Корабельный фарватеры. Искусственным сооружением Невского взморья является Морской канал. На протяжении 12 км он заключен в ограждающие дамбы.

Наблюдения за гидрологическими характеристиками р.Невы началось с момента возникновения Санкт-Петербурга.

Река Нева в настоящее время одна из наиболее изученных рек страны. Наблюдения за уровнем воды составляют уже примерно 290 лет, период наблюдений за стоком - примерно 140 лет (с 1859 г.). За это время выполнены сотни измерений расходов воды на участке дельты Невы, в каналах и фарватерах взморья. Большинство измерений выполнялось при уровнях воды, близких к ординару, и однотипных гид­рометеорологических условиях (в штиль или при слабом ветре)- [4]. Последнее по­зволяет при выполнении поставленной задачи использовать в качестве расчетных ве­личин среднемноголетние расходы воды различной обеспеченности.

В настоящее время регулярные гидрологические и гидрохимические наблюдения в дельте р.Невы выполняются СЗ УГМС.

Режим уровней воды в р.Неве существенно отличается от уровненного режима крупных равнинных рек. Эти отличия особенно заметны в нижнем течении реки (дельта), где определяющим фактором колебания уровня является не величина стока воды, а влияние Балтики.

Любые колебания водной поверхности моря и, особенно, Финского залива пе­редаются в Невскую губу, значительно усиливаются в ней из-за мелководности, и распространяются вверх по Неве, постепенно затухая.

При всем многообразии причин, вызывающих изменения уровня (сгоны, нагоны, приливы и отливы, сейши, длинные волны и др.), для практических целей используется ограниченное число обобщенных характеристик: средний многолетний уровень, максимальный и минимальный годовой уровень редкой повторяемости, продолжительность стояния того или иного уровня. Средний многолетний уровень называется ординаром и по отношению к нему оценивается подъем или спад уровня при нагонах и сгонах.

5.4.1.2. Сток воды р. Невы и его распределение по рукавам дельты (гидравлическая схема расчета)

Средний многолетний расход воды у Новосаратовки (ГП 1) составляет 2500 м3/с (за 122-летний период наблюдений) и годовой сток 95% обеспеченности равен 1800 м /с [7]. В работе Нежиховского обобщены материалы наблюдений по 1980 год включительно. Указанный период включает серию лет с очень высокой и очень низкой водностью. Обобщение материалов с учетом последних 2-х десятилетий практически не изменяет величину среднего многолетнего расхода.

Вопрос о распределении расхода по рукавам и протокам дельты рассмотрены в работе [28].

В таблице 2 приведены средние многолетние расходы воды в рукавах и каналах дельты при расходе воды на ГП Новосаратовка равном 2500 м3/с и величины расходов в этих водотоках при расходе р.Невы 95% обеспеченности 1800 м3/с.

Расходы воды в реках и каналах Санкт-Петербурга (в % от расхода Невы)

Распределение между основными рукавами:

В Обводный канал и Фонтанку - 2% от расхода в вершине дельты;

В Большую Невку - 19%;

В Большую Неву - 60%;

В Малую Неву-19%.

Большая Невка ниже по течению делится на 3 потока: Малая Невка - (8,9%)

Средняя Невка - (7,5%) В сумме - 19%

Большая Невка-(12,6%)

Выйдя из рукавов, водный поток делится по фарватерам взморья следующим об­разом:

Елагинский - 10%,

Петровский - 29%,

Галерный- 11%,

Корабельный - 26%,

Гребной - 5%,

Пролив между островами Белый и Канонерский - 2%,

Морской канал (выше Золотых Ворот) - 17%.

Гидравлические параметры, необходимые для расчета качества воды (Qpac4, Vcp, НСр, Вср) для каждого рассматриваемого участка (по техническому заданию) опреде­лялись следующим образом:

расходы воды (Q) рассчитывались с учетом распределения расхода воды по ру­кавам и каналам дельты (таблица 2);

Vcp, НСр, Вср - определялись как по данным, материалам экспедиционных обследований, выполненных в ГГИ в 1975-85 гг. [арх.ГГИ, №38926, 38943, 38964, 41684, 43341, 43364, 43348, 43959, 24554, 43339, 43342, 43346, 43368, 43365].

При отсутствии измерений на отдельных участках расчетные характеристики определялись путем интерполяции с соседними участками, как путем расчета, так и на основании общих представлений.

Для определения плановых размеров (В, L) использовались карты М 1:25000 [10], где приведены также и данные о скоростях течения при различных уровнях во­ды.

Расчетные гидрологические параметры приведены в табл.3, для расхода 2500 м3/с и табл.За - для расхода 1800 м3/с.

 

Пример расчётной схемы участка реки Нева приведён в соответствии с рисунком 2.7

 

 

Рисунок 2.7 – примерная расчётная схема участка реки Невы

 

Исходя из краткого описания реки Невы, приведённого выше и в главе первой первого тома реку Неву можно отнести:

-К глубоким водотокам равнинного типа с большой шириной.

- Для расчёта выбираем двухмерную математическую модель, это обусловлено тем, что попытка учесть реальную морфологию в рамках трёхмерной модели до сих пор наталкивается на большие вычислительные трудности, что в первую очередь, связано с отсутствием достаточного ряда данных натурных наблюдений. Общие принципы перехода от трёхмерной задачи к эквивалентным двухмерным путём соответствующих преобразований уравнений по глубине потока развиты в работе Н.А.Картвешвилли [25]. Анализ реального трёхмерного потока показывает, что поток можно рассматривать в рамках двухмерной задачи, если размеры его малы по сравнению с главными радиусами свободной поверхности и дна. При ширине реки значительно превышающей глубину, выравнивание концентраций осуществляется под воздействием горизонтального КДП и ПВ.

- Выбираем стационарную модель. Это обусловлено тем, что река Нева характеризуется достаточно стабильными гидрологическими условиями. А изменение характеристик водовыпусков сточных вод не велико.

- Задаёмся граничными условиями второго рода, которые характеризуют непроницаемость берегов.

- Выбираем изотропную модель, при которой осреднённая скорость потока постоянна по всей области течения. Поэтому выбирается одна ось координат так чтобы её направление совпало с направлением основного течения в нашем случае vx=vср.

Коэффициентом продольной диффузии не учитываем, так как скорости в реке Нева около 1 м3/с и конвективная составляющая переноса загрязняющих веществ в направлении основного течения значительно превышает диффузионный перенос

- Моделирование проводим для неконсервативных веществ, это связано с тем, что биогенные вещества подвержены процессам самоочищения.

Расчетные формулы

Из приведённой типизации и схематизации получаем двумерную нестационарную математическую модель формирования качества воды, которая описывается уравнением вида

(2.29)

где С- концентрация загрязняющих веществ, Vcp- средняя скорость течения водного объекта, Dy- коэффициент турбулентной диффузии, К1- коэффициент неконсервативности.

Для математического решения дифференциального уравнения выбираем метод конечных разностей с граничными условиями второго рода

По явной конечно-разностной схеме выбранное дифференциальное уравнение можно представить в виде

(2.30)

Основные принципы:

Моделирование ведётся с постоянными характеристиками по сечению каждого участка

В направлении течения возможно задание новых гидрологических характеристик: скорости, ширины реки, коэффициентов поперечной диффузии

В случае ветвления участка реки, распределение масс загрязняющих веществ происходит пропорционально расходу воды в каждом из водотоков

Моделирование ведётся раздельно для каждого из источников загрязнения, общий результат распределения концентраций получается суммированием полей концентраций от всех водовыпусков с полем фоновых значений.

 

5.4.1.4. Расчётные параметры

Для математических расчетов распределения неконсервативных примесей в водотоках распределением концентрации примесей по вертикали потока пренебрегают, также не учитывается фактор времени. В данной системе за основу принято уравнение для однородной изотропной стационарной двумерной модели с учетом самоочищения:

(2.31)

Для расчета этого дифференциального уравнения используется дискретный метод, для чего весь участок реки разбивается на участки, исходя из условий устойчивости. Количество участков по длине и ширине участка реки определяется параметрами Mx и Ny соответственно. При выборе этих параметров должно выполняться соотношение:

, (2.32)

где hx – величина шага по длине реки (L / Mx), hy – величина шага по ширине реки (B / Ny), Dy – поперечная диффузия, Vx – скорость течения реки.

Расчет поперечной диффузии

Поперечная диффузия (Dy) – параметр, определяющий интенсивность распространения загрязнения по ширине участка реки. Он может определяться различными способами, выбор которого должен быть обусловлен гидрологическими характеристиками реки и имеющимися данными. Ниже приведены возможные способы расчёта Dy [3].

 

Методы расчета поперечной диффузии.

 

1. Метод Элдера (для лабораторных условий).

; ; ; (2.33)

 

2. Метод Потапова (для естественных течений).

. (2.34)

 

3. Метод Караушева (для естественных течений).

; ; . (2.35)

4. Метод Банзала (для естественных течений).

(2.36)

 

5. Комбинированный метод (для естественных течений).

; (2.37)

.

 

В этих уравнениях: R – гидравлический радиус; J – гидрологический уклон свободной поверхности реки; g – гравитационное ускорение (g = 9,80665); Н – средняя глубина реки; B – средняя ширина реки; Vx – средняя скорость течения реки; Сш – коэффициент Шези; Nш – коэффициент шероховатости русла; f – коэффициент извилистости русла; М, m – вспомогательные коэффициенты.

Концентрация начального разбавления (Сн.р.) – начальная концентрация вещества в месте выброса. При расчете начального разбавления для каждого источника любой конфигурации используются следующие соотношения:

; ; (2.38)

,

 

где Сср* - среднее значение концентрации (уравнение баланса вещества), Сст – концентрация стока одного источника по одному показателю, Сф – фоновая концентрация, Q – расход воды в реке, q – расход воды в источнике, Ny – число клеток по ширине реки, Nз – число клеток загрязнения. Nз рассчитывается исходя из конфигурации источника, если источник сосредоточенный, то, обычно это одна клетка.

Для каждого источника рассчитывается относительное начальное разбавление (за вычетом фоновой концентрации) и все источники помещаются на обнуленное поле концентраций, соблюдая их конфигурацию. Затем происходит перерасчет всего поля концентраций с начала участка и до конца по течению с захватом всех встретившихся источников.

Таким образом, концентрация начального разбавления для источника, находящегося ниже по течению относительно другого определяется как его относительная концентрация начального разбавления плюс относительная концентрация вещества в точке выброса плюс фоновая концентрация.

Расчет параметров створа

В контрольных створах возможен расчёт кратности разбавления,

(2.39)

Кратность разбавления является величиной постоянной для различных значений Сст при фиксированных параметрах модели, что говорит о линейной зависимости максимальной концентрации от концентрации стока.

Степень перемешивания, выражаемая в процентах:

(2.40)

характеризует интенсивность разбавления вещества для данной модели.

В качестве параметров реки задаются следующие параметры. Длины участка реки (L), ширины участка реки (В), средней глубина реки (Н) и скорость течения (Vx), коэффициента поперечной диффузии Dy.

После задания всех параметров выбирают шаг по длине и по ширине реки. Шаги задаются при помощи задания параметров сетки.

Шаг по X: hx = L / Mx. (2.41)

Шаг по Y: hy = B / Ny. (2.42)

Mx – число шагов по длине участка реки, Ny – число шагов по ширине участка реки