Những đại lượng thủy văn và những yếu tố thủy lực cần thiết để tính toán sự pha loãng nước thải

Những đại lượng thủy văn và những yếu tố thủy lực cần thiết để tính toán sự pha loãng nước
thải

Những đại lượng thủy văn và
những yếu tố thủy lực cần
thiết để tính toán sự pha
loãng nước thải
Bởi:
PGS. TS. NGƯT Phạm Văn Huấn
Xác định các đặc trưng dòng cần thiết để tính toán sự pha loãng nước thải
Khi tính toán xáo trộn rối trong sông ngòi trước tiên cần phải có lưu lượng nước tính
toán. Hiện nay lưu lượng nước tính toán thường lấy là lưu lượng nước cực tiểu, suất đảm
bảo 95 %. Với sự hiện diện của số liệu quan trắc nhiều năm có thể nhận trong tính toán,
lưu lượng nước cực tiểu quan trắc. Phụ thuộc vào bài toán đặt ra mà chỉ định các lưu
lượng nước tính toán khác cho tới cả khi đạt lưu lượng nước suất đảm bảo bé và thậm
chí là cực đại.
Phù hợp với lưu lượng nước tính toán Q(m3/s) người ta xác định diện tích mặt cắt ướt
ω (m2), vận tốc dòng chảy trung bình v (m/s), độ dốc mặt nước I (%), độ rộng trung
bình B (m), độ sâu dòng chảy H (m). Sau đó tính toán hệ số Chezi C (m1/2/s). Các thành
phần vận tốc ngang trên chỗ xoáy dòng chảy sông vz (m/s), giá trị hệ số khuếch tán rối
D (m2/s).
Với sự hiện diện của độ dốc đo đạc, hệ số Chezi C tính theo công thức Chezi:
C=

v

√Hi

(4.1)

còn không có số liệu về độ dốc - theo công thức đã biết của Manning, chứa hệ số độ

nhám hay theo công thức Stricler - Manning

( Hd' )

C = 33

1/2

(4.2)

1/10


Những đại lượng thủy văn và những yếu tố thủy lực cần thiết để tính toán sự pha loãng nước
thải

với d' - đường kính hiệu dụng của phần tử trầm tích đáy (mm); đối với điều kiện sông
ngòi xác định như giá trị 50 % độ lớn phần tử theo đường cong thành phần hạt; công
thức (4.2) thể hiện ở dạng toán đồ (Hình 4.1).
Hệ số khuếch tán rối là tham số chính khi tính toán xáo trộn trong dòng, tính theo công
thức:
D=

gHv
mC

(4.3)

với v - giá trị vận tốc trung bình trên đoạn lan truyền chất ô nhiễm, m/s; H - độ sâu trung
bình trên đoạn tính toán, m; g - gia tốc rơi tự do, g = 9,81 m/s; đại lượng m là hàm của

hệ số Chezi C và đối với giới hạn 10 ≤ C ≤ 60 nó quan hệ với C bằng mối phụ thuộc:
m = 0,7 C + 6 (4.4)
với C > 60, m = const = 48.
Vai trò quan trọng trong quá trình pha loãng nước thải ở sông ngòi là dòng chảy ngang.
Sự hiện diện của các thành phần vận tốc vz tức là hoàn lưu nội trong dòng, dẫn tới sự
tăng cường quá trình xáo trộn cần phải tính đến trong tính toán. Khi sử dụng các phương
pháp chi tiết (Besxhaia, Orlov, 1983; Co sở phương pháp đánh giá..., 1987) ảnh hưởng
của vz được tính trực tiếp, còn trong phương pháp tổ hợp tính toán hoàn lưu ngang được
thực hiện bằng cách dẫn thừa số hiệu chỉnh k (lớn hơn 1) vào hệ số khuếch tán rối D. Đại
lượng k là hàm của hệ thức (vz + ω)/ω với vz - giá trị trung bình của đại lượng tuyệt đối
vận tốc thành phần theo thủy trực; ω - giá trị trung bình của đại lượng tuyệt đối thành
phần ngang của nhiễu động vận tốc.

2/10


Những đại lượng thủy văn và những yếu tố thủy lực cần thiết để tính toán sự pha loãng nước
thải

Hình 4.1. Toán đồ C = f( Hd' )
Để tính vz, đề xuất công thức:
H

vz = 0,13N r vx (4.5)

nhận được tích phân công thức A. V. Karausev (1960) khi dẫn hệ số hiệu chỉnh, bằng
0,5. Tích phân dẫn từ mặt dòng chảy đến độ sâu có vz thay đổi hướng ngược lại (gần 0,5
H). Trong công thức (4.5) qua H ký hiệu độ sâu trung bình dòng trên toàn bộ đoạn xem
xét; vx - giá trị trung bình thành phần vận tốc dọc; r - bán kính đoạn cong của lòng sông
coi như là đối với đoạn sông nằm thấp hơn chỗ đổ nước thải và bao goòm 1 - 2 xoáy.

Tham số N - là số đặc trưng vô thứ nguyên của dòng rối, xác định số:
N=

mC
g

(4.6)

Để xác định N trong quan hệ C và m có thể sử dụng bảng 4.1.
Bảng 4.1. Giá trị m và N phụ thuộc vào c

3/10


Những đại lượng thủy văn và những yếu tố thủy lực cần thiết để tính toán sự pha loãng nước
thải

c 10

15

20

25

30

m 13

16,5 20,5 23,5 27

35

40

30,5 34

45

50

37,5 41

55

60

65

70

44,5 48

48

48

N 13,3 25,2 40,8 59,9 82,6 108 139 172 209 249 294 318 343
Giá trị trung bình đại lượng tuyệt đối thành phần ngang của vận tốc tức thời (ω) xác định
theo công thức

ω=

vx

√N

(4.7)

Ngoài hoàn lưu ngang trong dòng ảnh hưởng lớn lên cường độ quá trình xáo trộn còn cả
sự phân bố không đồng đều của độ sâu trên đoạn đang xét. Nguyên nhân là khi tính toán
sự pha loãng đối với điều kiện bài toán hai chiều khi tính toán bằng phương pháp tổ hợp
người ta sử dụng mô hình lòng dẫn sơ đồ hóa, có độ sâu không đổi H. Việc sơ đồ hóa
như vậy không cho phép tính đến các đặc điểm của lòng sông tự nhiên, gồm cả các đoạn
sâu và nông xen kẽ (gò và vực). Tính biến động độ sâu theo dọc sông trên đoạn đang xét
tăng cường tính bất đồng nhất động học của dòng và là một trong những nhân tố tạo rối
của khối nước. Tính đến nhân tố này có thể thực hiện bằng cách đưa thêm hệ số kA nào
đó vào hệ số khuếch tán rối D.

Hình 4.2.Toán đồ k' = f

[( ),θ].
vz + ω
ω

Xác định sự phụ thuộc của đại lượng kA từ tỷ số

4/10


Những đại lượng thủy văn và những yếu tố thủy lực cần thiết để tính toán sự pha loãng nước

thải
Hmax − H
H

=θ

với Hmax - độ sâu cực đại từ cức độ sâu trung bình trên đoạn đang xét, m.
Để xác định định lượng các hệ số k, kA cho đồ thị (Hình 4.2) trong đó k' = k + kA
kA = f

(

vz + ω
ω ;

Hmax − H
H

)

Để tính hai nhân tố đã nêu - hoàn lưu ngang và tính biến động của độ sâu trên đoạn sông
đang xét - hệ số khuếch tán rối nhân với đại lượng k':
Ds = Dk' (4.8)

với Ds - hệ số khuếch tán rối hiệu chỉnh.đặc trưng tổng điều kiện xáo trộn trong dòng
chảy sông ngòi.

Xác định các đặc trưng khí tượng và thủy lực của thủy vực cần thiết để tính
toán sự pha loãng nước thải
Trong hồ và hồ chứa ảnh hưởng mạnh đến quá trình xáo trộn là hoạt động của gió, cho

nên khi đánh giá xáo trộn nước thải cần thiết để tiến hành tính toán dòng chảy gió, còn
cũng tính đến tính biến động của đại lượng thủy văn và các yếu tố thủy lực. Tính biến
động của các yếu tố thủy lực chịu ảnh hưởng của dao động các đặc trưng gió trên thủy
vực. Các điều kiện đặc trưng nhất của sự pha loãng với vậntốc gió suất đảm bảo khác
nhau cho trên hình 4.2.
Độ lặp lại vậntốc gió khác nhau trên độ cao 10 m trên mặt đất cho trong “Cẩm nang khí
hậu Liên Xô“. Chuyển đổi về mặt nước thực hiện theo đồ thị A. S. Braslavski (Hình 4.3)
và khi không có nó để chuyển đổi về gió độ cao 2 m trên mặt nước ta bổ sung hệ số k =
0,85. Số liệu về vậntốc gió được sử dụng đểtính toán vận tốc dòng chảy gió nhờ xấp xỉ
quan hệdạng:
v = kω2√3 + 10h, (4.9)

5/10


Những đại lượng thủy văn và những yếu tố thủy lực cần thiết để tính toán sự pha loãng nước
thải

Hình 4.3.Đồ thị quan hệ vậntốc gió trên nước độ cao cột chuẩn v 10 m
và trên trạm khí tượng v' ở mặt đất
với k - hệ số phụ thuộc vào hệ số Chezi C và xác định theo bảng 4.3 hoặc theo toán đồ
(Hình 4.4); ω2 - vậntốc gió trên độ cao 2 m trên mặt nước, m/s; h - độ cao sóng 1 % đối
với đoạn đang xét trong hệ thống sóng đã cho, m.
Bảng 4.2. Điều kiện xáo trộn trong thủy vực
với vậntốc gió suất đảm bảo khác nhau
Điều kiệnxáo trộn Suất đảm bảo vậntốc gió P %
Thuận lợi

1

Trung bình

50

Không thuận lợi

90

6/10


Những đại lượng thủy văn và những yếu tố thủy lực cần thiết để tính toán sự pha loãng nước
thải

Hình 4.4. Toán đồ để xác định vậntốc trung bình dòng chảy gió
Bảng 4.3. Giá trịk phụ thuộc vào hệ số Chezi C
C

10 20

30

40

50

60

70

80

90

100

k.102 0,1 0,18 0,27 0,34 0,42 0,50 0,55 0,60 0,66 0,68
Hệ số Chezi tính theo công thức (4.2) hoặc theo toán đồ (Hình 4.4), đường kính hiệu
dụng d' trong điều kiệnhồ và hồ chứa được xác định theo đường cong tích phân thành
phần hạt như là đường kính giới hạn 10 % phần tử lớn nhất.
Hệ số khuếch tán rối với sóng gió yếu tính theo quan hệ (4.3). Khi hiện diện sóngrối
của khối nước tăng cần được tính đến trong công thức tính toán hệ số khuếch tán rối,
đặc trưng tổng cộng hiệu quả của dòng chảy vận chuyển và chuyển động sóng của khối
nước. Trong trường hợp này để tính toán hệ số khuếch tán rối có dạng như sau:
D=

(ch+πv'H)d'1 / 3
bH1 / 3

(4.10)

với c - vậntốc pha của sóng, m/s; v' - giá trị đại lượng vậntốc tải trung bình theo thủy
trực, m/s; b - hệ số thực nghiệm nhận bằng 700; π = 3,14; d' - trong công thức này lấy
đơn vị là m, H - độ sâu trung bình thủy vực trên đoạn, m. Công thức (4.10) dùng cho độ
sâu nhỏ hơn 60 m.
Vận tốc pha của sóng với H > 0,5 L tìm được theo công thức:
c=

√ gL2π (4.11)
7/10

Những đại lượng thủy văn và những yếu tố thủy lực cần thiết để tính toán sự pha loãng nước
thải

còn đối với H < 0,5 L theo công thức
c = √g(H + h) (4.12)

Trong các quan hệ (4.11) và (4.12) L - bước sóng, m; h - độ cao sóng 1 % cũng trong
vùng đó, m.
Do vậntốc dòng chảy gió thay đổi theo thời gian với sự thay đổi của vậntốc gió, thì trong
lần xấp xỉ đầu tiên có thể coi rằng các đặc trưng phụ thuộc vào vậntốc gió (vậntốc dòng
chảy gió, hệ số khuếch tán rối) có cùng suất đảm bảo và cùng nhân tố quyết định chúng.
Và điều đó cho phép thực hiện tính toán pha loãng với số liệusuất đảm bảo các đặc trưng
nguồn, nhận được suất đảm bảo vùng tính toán ô nhiễm.
Các ví dụ thực tế tính toán ô nhiễm đối tượng nước sẽ xem xét chi tiết trong các giáo
trình (Besxenaia, Orlov, 1983; Orlov, 1988).

Xác định lượng nước thải cho phép
Bên cạnh thành phần hóa học nước thải một đặc trưng quan trọng là lượng nước thải,
xâm nhập từ sông suối và thủy vực trong một đơn vị thời gian. Phụ thuộc vào tỷ lệ lưu
lượng nước thải và sông suối hoặc thể tích thủy vực có tính đến thành phần hóa học
nước thải và cường độ quá trình pha loãng (và tự làm sạch, nếu như quá trình này biểu
hiện khá rõ) trong các đối tượng nước có thể đổ các lượng nước thải khác nhau trong
một thời gian. Lưu lượng nước thải cho phép tới hạn có thể đổ vào sông suối vào pha
dòng chảy nhiềuvà ít phụ thuộc vào việc có bảo toàn được chỉ số chất lượng nước hay
không trong giới hạn chuẩn cho phép. Tương ứng với “Nguyên tắc bảo vệ nước mặt khỏi
ô nhiễm bởi nước thải" (1975) tính đến 11 chỉ số thành phần và tính chất của nước sông
và thủy vực sử dụng cho nhu cầu dùng nước uống và công cộng, chúng có các đại lượng
giới hạn.Khi đổ nước bị ô nhiễm các chỉ số này khôngnhất thiết bị phá vỡ. Do không có

một chỉ tiêu chất lượng nước duy nhất khi xác định lưu lượng nước cho phép tới hạn có
thể đổ vào dòng nước (hay thủy vực) cần tập trung sử dụng một - hai chỉ số tới hạn có
thể biểu diễn định lượng. Tất nhiên khi có mặt các chất độc hại cần tính đến nồng độ tới
hạn cho phép của chúng (trong “Các nguyên tắc...” chỉ rõ PDK đối với 420 chất).
Khi thực hiện việc tẩy sinh học hay lý hóa học nước thải công nghiệp hay dịch vụ công
cộng các chỉ số tới hạn chất lượng nước sẽ gồm hàm lượng ôxy hoà tan vag nhu cầu sinh
hóa đầy đủ của nước về oxy (BPK). Các chỉ tiêu này là cơ sở để P. Đ. Gatilo (1969) soạn
thảo phương pháp xác định khả năng để đổ lượng nước (đối với điều kiện Bạch Nga),
mà trong dạng tính toánổng quát có thể thể hiện ở dạng sau đây:

8/10


Những đại lượng thủy văn và những yếu tố thủy lực cần thiết để tính toán sự pha loãng nước
thải

d

(Qn + 1 − ∑n1 Q1i+∑n1 Q2i)(Ld − Lp) − ∑n1 − 1 Qtn(mriLti − Lalignl

)

Qtn ≤ []
(mrnLtin − Ld) − 1 (4.13)

với Qtn - Tuyến đon chỉ định đổ lưu lượng nướcthải ô nhiễm, m3/s;Qn+1 - lln sông trên
tuyến đo tính toán n + 1, nằm dưới tuyến đổ n (tuyến đo tính toán của người có nhu
cầu dùng nước), hay tại tuyến đổ (n) không tính đến nước đổ; Q1i - lưu lượng nước lấy
từ sông để cấp nước, tưới trên các đoạn nằm trên (i - số thứ tự tuyến đo từ trên xuống
dưới theo chiều dòng chảy có tính đêna nhập lưu); Q2 - lưu lượng nước đổ của nước

thải tương đối sạch; Qti - lưu lượng nước thải tại các tuyến đo nằm trên tuyến đo n; L,
Lp và Ld - BPK tương ứng nước thải không ô nhiễm của sông ngòi cũng như là giới
hạn cho phép trên tuyến đo tính toán của sông gO2/m3; m - hệ số tính đến sự xâm nhập
nước thải từ lãnh thổ thành phố; r - hệ số phụ thuộc vào các quá trình tự nhiên axit sinh
hóa củanước thải trên đoạn đổ đến tuyến đo tính toán và xác định theo phương trình
ri = 10 − Ktτ, với τ - thời gian nước đi từ tuyến đổ nước thải đến tuyến tính toán. K - hằng
sốvậntốc axit sinh hóa với nhiệt độ nước oC, xác định theo quan hệ phụ thuộc vào hằng
số khi nhiệt độ nước là 20 oC theo phương trình Kt = K.1,047t − 20.
Nồng độ trung bình của ôxy hoà tan trong nước có thể xác định theo phương trình của
P. Đ. Gatillo (1969) đề xuất, hoặc tương tự nó:
Cn + 1 = [C(Qn + 1 − ∑n1 Q1i + ∑n1 Q2i) + ∑n1 CtiQti −

∑ QtiLti(1 − ri)](Qn + 1 − ∑ Q1i + ∑ Q2i + ∑ Qt)
n
1

n
1

n
1

n
1

(4.14)

với C, Cti - nồng độ ôxy hoà tan tương ứng nước sông sạch và nước thải đã xử lý,
gO2/m3; ri - hệ số triết giảm ô nhiễm trên đoạn từ nơi đổ nước thải đến tuyến đo tính
toán; Lti (1- ri)- nhu cầu dùng ôxy riêng (trên 1 m3 nước thải trong 1 giây) trên quá trình

axit hóa ô nhiễm do nước thải đổ vào gO2/m3.
Sự chú ý lớn nhất dành cho việc đánh giá nồng độ ôxy hoà tan cần tách ra khỏi thời kỳ
băng tích và vào mùa hè, khi nhiệt độ nước vượt quá 20 oC.
Các tính toán nêu trên tiến hành đầu tiên áp dụng cho lưu lượng nướcmùa đông cực tiểu
30 ngày và hè thu. Trong các trường hợp đặc biệt, lưu lượng nước này có thể thay bằng
lln tuần tẳng hoặc lln cực tiểu trung bình ngày phụ thuộc vào độ sạch yêu cầu của đối
9/10


Những đại lượng thủy văn và những yếu tố thủy lực cần thiết để tính toán sự pha loãng nước
thải

tượng nước. Trong trường hợp vượt quá của lượng nước đổ chỉ định so với tải trọng tới
hạn cho phép nước thải của sông suốitiến hành tính lại giá trị đổ và lượng dư chuyển
sang một nơi tích luỹ đạc biệt để đổ nó ở lần sau trong giai đoạn có lũ và lụt, khi đó sẽ
thoả mãn các tỷ lệ đã nêutrên đây.
Như đã nói trên đây, lượng nước thải ở chừng mực nào đó phụ thuộc vào lưu lượng nước
trong sông, xác định khả năng pha loãng của nó. Cho nên ảnh hưởng lớn tới chất lượng
nước sông và hồ là đáng kể theo mức độ tích nước để đảm bảo nhu cầu dùng nước công
nghiệp và dịch vụ công cộng của thành phố và các điểm dân cư, cũng như để thoả mãn
các nhu cầu kinh tế nông nghiệp, đặc biệt là tưới. Việc tập trung nước tích cực có thể
dẫn tới sự thay đổi đáng kể các quá trình sinh hóa diễn ra trong nó, ảnh hưởng tới chế
độ nhiệt độ, gây nên sự quá tải của sông (hoặc hồ) bởi nước thải. Cho nên khi tiến hành
tích nước từ các đối tượng nước cần để lại một lưu lượng nước xác định (hay thể tích)
đáp ứng các tiêu chuẩn vệ sinh.

10/10