Get 20M+ Full-Text Papers For Less Than $1.50/day. Start a 14-Day Trial for You or Your Team.

Learn More →

Model interpretation of results of measurement mixing zone in the Elbe River downstream from the WWTP Hradec Králové

Model interpretation of results of measurement mixing zone in the Elbe River downstream from the... J. Hydrol. Hydromech., 58, 2010, 2, 126­134 DOI: 10.2478/v10098-010-0012-2 MODELOVÁ INTERPRETACE VÝSLEDK MENÍ MÍSÍCÍ ZÓNY V LABI POD VYPOUSTNÍM Z COV HRADEC KRÁLOVÉ JIÍ SAJER Výzkumný ústav vodohospodáský T.G.Masaryka, v. v. i., Macharova 5, 702 00 Ostrava, Ceská republika; Mailto: jiri_sajer@vuv.cz Ve shod se Smrnicí 2008/105/ES mohou clenské státy vymezit regulacní mísící zóny pilehlé k místu vypoustní. Koncentrace jedné nebo více látek uvedené v seznamu v cásti A pílohy 1 této smrnice smjí pekracovat významné normy environmentální kvality uvnit takových regulacních mísících zón, pokud nebudou mít vliv na dodrzení tchto norem ve zbývající cásti vodního útvaru. Jako základ pro vymezení regulacní mísící zóny pilehlé k existujícímu bodovému zdroji znecistní je velmi dlezitá co nejlepsí znalost skutecné hydrodynamické zóny. To je dvod, proc byla v Labi pod cistírnou odpadních vod (COV) Hradec Králové mena konduktivita. V tomto clánku je popsána modelová interpretace výsledk mení. COV Hradec Králové se nachází na levém behu Labe a patí mezi jednu z nejvtsích COV v Ceské republice s kapacitou pesahující 100 000 EO. Studie se zajímá o oblast po kompletním vertikálním promísení. Je pouzito modelování dvoudimenzionálního (2D) síení vlecky znecistní z bodového zdroje v ece, zalozené na metod, kterou uvádí Fischer et al. (1979) s korekcí pro úcinný zacátek vypoustní. Porovnání numerických výsledk s výsledky z terénního mení ukazují, ze metoda je pouzitelná pro predikci hydrodynamické mísící zóny pilehlé k COV Hradec Králové v pípad, ze odpadní vody jsou v recipientu positivn nadlehcovány. KLÍCOVÁ SLOVA: povrchové vody, mísící zóna, vypoustní odpadních vod, znecistní vody, konduktivita, numerické modelování. Jií Sajer: MODEL INTERPRETATION OF RESULTS OF MEASUREMENT MIXING ZONE IN THE ELBE RIVER DOWNSTREAM FROM THE WWTP HRADEC KRÁLOVÉ. J. Hydrol. Hydromech., 58, 2010, 2; 9 lit., 6 obr., 3 tab. In accordance with the Directive 2008/105/EC Member States may designate regulatory mixing zones adjacent to points of discharge. Concentrations of one or more substances listed in Part A of Annex 1 of this Directive may exceed the relevant EQS within such mixing zones if they do not affect the compliance of the rest of the body of surface water with those standards. As a basis for designating regulatory mixing zone adjacent to an existing point source is the best knowing of the really hydrodynamic mixing zone very important. That's the reason, why conductivity in the Elbe River dowstream waste water treatment plant (WWTP) Hradec Králové was measured. Numerical analysis of results is described in this paper. WWTP Hradec Králové is located on the left shore of the Elbe River and belong between one of the biggest Czech Republic´s WWTP of a size in excess of 100 000 PE. The region after complete vertical mixing is of interest in this study. Modeling of the two-dimenzional (2D) contaminant spreading of plume from point source in a river based on the method of Fisher et al. (1979) with correction for the effective origin of effluent is used. Comparison of the numerical results with field measurements shows that this method is useable for prediction of the hydrodynamic mixing zone adjacent to WWTP Hradec Králové in case when the effluent is positively buoyant. KEY WORDS: Surface Waters, Mixing Zone, Effluents, Water Pollution, Conductivity, Numerical Modeling. 1. Úvod Podle Smrnice 2008/105/ES o normách environmentální kvality v oblasti vodní politiky, zmn a následném zrusení smrnic Rady 82/176/EHS, 83/513/EHS, 84/156/EHS a 86/280/EHS a zmn smrnice 2000/60/ES ze dne 13. prosince 2008 mohou clenské státy vymezit regulacní mísící zóny pilehlé k místu vypoustní. Regulacní mísící zóna je definována jako oblast povrchových vod bezprostedn navazující na místo vypoustní prioritních látek, ve které normy environmentální kvality nemusí být dosahovány, pokud se má dvodn za to, ze vypoustním je ovlivnna jakost povrchových vod a navazujícího vodního ekosystému. Aby bylo mozno co nejobjektivnji vymezit regulacní mísící zónu, je potebná velmi dobrá znalost skutecné hydraulické mísící zóny. Za tím úcelem uskutecnil Výzkumný ústav vodohospodáský T.G. Masaryka, v. v. i. adu mení v tocích pod významnými bodovými zdroji znecistní. Jedním z takových významných bodových zdroj znecistní byla i cistírna odpadních vod Hradec Králové. Podle údaj uvedených v Integrovaném registru znecisování zivotního prostedí (IRZ) vypustila tato cistírna do povrchových vod za rok 2007 6,1 kg rtuti, která je zaazena mezi prioritní látky nebezpecné pro vodní organismy. Se svou kapacitou 141 000 EO se cistírna adí mezi deset nejvtsích COV v Ceské republice s velikostí nad 100 000 EO. Cistírna vypoustí prmrn 44 000 m3 den-1 (17 milión/rok). Odpadní vody z COV jsou vypoustny do Labe prostednictvím oteveného odpadního kanálu. V míst zaústní kanálu je hladina Labe vzduta Opatovickým jezem. Jedná se o pevný jezový objekt se 112 m dlouhou pelivnou korunou na kót 225,3 m.n.m. Ze zdrze jezového objektu odbocuje 31,8 km dlouhý Opatovický kanál. Síka Opatovického kanálu u vtoku je 15 m a prmrná hloubka 1,5 m. Kapacita pevodu je 6,5 m3 s-1. Výska hladiny u jezu v Opatovicích se pi prmrných a nizsích prtocích drzí zhruba na kót 225 m.n.m. a pelivná koruna jezu zstává suchá. Tepelná elektrárna Opatovice nesmí zvysovat odbr uzitkové vody nad 11,6 m3 s-1 s tím, ze soucasn musí být dodrzována i stanovená hodnota minimálního zstatkového prtoku 5 m3 s-1 v ece Labi pod Opatovickým jezem. Situace je patrná z obr. 1. Clánek se zabývá modelovou interpretací výsledk mení konduktivity v úseku Labe pod vyústním odpadního kanálu z COV Hradec Králové s uzsím zamením na dvourozmrnou oblast síení vlecky znecistní. Obr. 1. Situace. Fig. 1. Situation. 2. Teorie hydraulické mísící zóny Podélná a zejména pak pícná disperze se významnou mrou podílejí na prbhu prostorových a casových zmn koncentrace cizorodých látek v toku. (Matas, 2009). Pi pomrn malých gradientech koncentrace v podélném profilu a pi bzných rychlostech vody (ádov desetiny [m s-1] a vyssí) je vliv podélné hydrodynamické disperze ádov nizsí nez vliv advektivní slozky (íha, 2008). Znecistní vypoustné z bodového zdroje do recipientu se obecn zpocátku síí tírozmrn (near field) a po vyrovnání koncentrace ve svislé ose dvourozmrn (far field). Prbh hydraulického mísení je nezávislý na velikosti koncentrace. Je výhodné pocítat s koncentrací uvádnou v procentech (Doneker et al., 2007). Zavedeme-li koordinacní systém a pirozený tvar koryta recipientu nahradíme piblizn odpovídajícím prizmatickým korytem o síce B a hloubce h podle obr. 2, pak v oblasti dvourozmrného síení bude probíhat rozdlení koncentrací konzervativní látky smrem dol po proudu podle rov. (1). V literatue (Fischer et al., 1979) se m127 zeme setkat s touto rovnicí ve tvaru, který platí pro nulovou koncentraci Cr -( y-2 n- y0 )2 4 x e c - cr 1 = . c0 4 x n =- -( y-2n + y0 )2 4 x +e centech. Centrální hydrodynamická osa tsn sledovala levý beh. Pro kazdý bod na centrální ose, ve kterém se milo, byla vypoctena hodnota Eyxef podle rov. (3) (1) V pípad aktivního vypoustní nebo významného výskytu singularit v toku pod vypoustním se do výpoct zavádí fiktivní vzdálenost xs mezi skutecným a efektivním bodem vypoustní. Celkovou efektivní vzdálenost pak lze vypocítat jako Qe ( Ce - Cr ) (C - C ) r E y xef = Uh 2 (3) a v grafu na obr. 3 byla vynesena závislost této hodnoty na vzdálenosti x. Lineární regresní kivka prolozená vynesenými body má tvar xef = x + xs . (2) y = kx + q, (4) Ze sofwarových prostedk umozujících výpocty a modelování mísící zóny je mozno pro jednodussí pípady jmenovat imisní test pouzívaný v Holandsku, pro slozitjsí, zahrnující nkteré významné vlivy (napíklad vliv stratifikace vody, vliv vtru apod.), je to napíklad CORMIX. kde lineární koeficient k odpovídá hodnot Ey a absolutní clen q se rovná soucinu Ey*xs. Z regresní pímky tedy bylo mozno pímo získat hodnotu Ey a následujícím výpoctem hodnotu xs. Z takto získané hodnoty Ey byla pro píslusný koeficient drsnosti toku upesnna hodnota soucinitele y, která pak byla pouzita pro dalsí výpocty. Pro body, ve kterých se milo, byl uskutecnn výpocet pomocí rov. (1). Výsledky výpoctu pro centrální hydrodynamickou osu (y = 0) byly porovnány s výsledky mení v terénu a s výsledky získanými pomocí imisního testu pouzívaného v Holandsku (obr. 4). 4. Výsledky a diskuse Obr. 2. Definice symbol a koordinacní systém. Fig. 2. Definition of symbols and coordinate system. 3. Metody esení K mení prbhu mísení byla zvolena jako referencní parametr elektrická konduktivita (mrná vodivost), která je snadno stanovitelná penosným pístrojem pímo v terénu. Na ece Labi byl nejcastji pouzíván pístroj WTW Cond 340i a nkdy také WTW Multi 340i, pípadn pH/Cond 340i. Pod COV Hradec Králové probhla dv mení. První probhlo v dubnu a druhé v cervenci 2007, ob za nizsích prtok. Mení probíhalo z nafukovací kanoe, aktuální poloha lodi byla zjisována pomocí GPS. Pro výpocty se jevilo vhodné zavést Ce ­ Cr = = 100 %. Výsledky mení konduktivity pak byly pepocteny na rozdíly mezi maximáln zjistnou konduktivitou v mených bodech a pvodní neovlivnnou konduktivitou v toku a vyjádeny v pro128 Pi mení realizovaném 20. 4. 2007 cinila maximáln zjistná konduktivita vypoustné odpadní vody 1000 µS cm-1, eka Labe v celém pícném profilu nad místem vypoustní vykazovala vodivost 260 µS cm-1. Odpadní voda byla o 2,6 °C teplejsí nez voda v ece. Vlecka vypoustné odpadní vody se drzela pi levém behu a po 100 metrech od místa vypoustní dosahovala do cca 1/3 síky toku. Konce mísící zóny ve vzdálenosti 1500 m pod výpustí jest nebylo dosazeno. Pi tomto mení nebyl v celém meném úseku toku Labe v rzných hloubkách zjistn rozdíl konduktivity. Ponkud jiná situace nastala pi mení téhoz úseku toku v cervenci 2007. Konduktivita odpadní vody z COV Hradec Králové byla obdobná a cinila 1095 µS cm-1. Konduktivita povrchové vody nad místem vypoustní v neovlivnné cásti eky cinila 342 µS cm-1. Teplota odpadní vody vsak byla o 1,7 °C nizsí nez v recipientu. Proud odpadní vody tímto klesal ke dnu a smoval k protjsímu pravému behu. I ve vzdálenosti 40 m pod výustí byla konduktivita v ce- Obr. 3. Regresní analýza; ­ 2D síení vlecky, ­ 3D síení vlecky, × ­ tato hodnota byla vypustna, _ ­ lineární regrese. Fig. 3. Regression analysis; ­ 2D plume spreading, ­ 3D plume spreading, × ­ this value was ruled out, _ ­ linear regression. Obr. 4. Pevýsení koncentrací v centrální ose nad koncentracemi pozadí v recipientu; ­ 2D síení vlecky, ­ 3D síení vlecky, ­ imisní test pouzívaný v Holandsku, × ­ rov. (1) pi y0 = 0, - ­ regrese 1 (namené hodnoty), _ ­ regrese 2 (hodnoty vypoctené podle rov. (1)). Fig. 4. Centerline excess concentration above ambient background concentration; ­ 2D plume spreading, ­ 3D plume spreading, ­ immission test which is used in Netherlands, × ­ Eq. (1) by y0 = 0, - ­ regression 1 (observed values), _ ­ regression 2 (computed values by means of Eq. (1)). lém pícném profilu Labe pi hladin shodná s konduktivitou v neovlivnném úseku nad výpustí. Pi levém behu vsak konduktivita významn vzrostla v hloubce 1,5 metru. V dalsím úseku mísení se odpadní voda promíchávala ode dna k hladin a soucasn smrem od levého k pravému behu. Na rozdíl od pedchozího mení byla jiz 500 m pod výpustí ovlivnna i voda u pravého behu (Micaník et al., 2008). Následující modelová interpretace výsledk se zamuje na výsledky mení ze dne 20. 4. 2007, kdy byl rozsah mísící zóny podstatn vtsí, a tedy i mozný dopad na zivotní prostedí mén píznivý. Výsledky mení konduktivity byly pepocteny na rozdíly mezi maximáln zjistnou konduktivitou v mených bodech a pvodní neovlivnnou konduktivitou v toku a vyjádeny v procentech. Jsou shrnuty v tab. 1. Z COV Hradec Králové bylo toho dne vypustno 40 260 m3 odpadní vody. To je v prmru 0,466 m3 s-1. Mnozství bylo meno ponornou sondou, která snímá rychlost proudní a výsku hladiny. Nerovnomrnost vypoustní v prbhu dne je znázornna na obr. 5. V dob mení konduktivity se pohybovalo mnozství vypoustné z COV Hradec Králové kolem 0,455 m3 s-1. Prtoky byly v Orlici na limnigrafické stanici v Hradci Králové 13,6 m3 s-1 a v Labi nad Orlicí v Hradci Králové 23,0 m3 s-1. To znamená, ze pod Hradcem Králové byl prmrný prtok v Labi asi 36,6 m3 s-1. Hladina vzdutí nad jezovým tlesem Opatovice je obvykle udrzována na kót 225 m.n.m. a koruna jezového tlesa zstává suchá. Výpoctem kivky vzdutí podle Pavlovského bylo oveno, ze pi prtoku 36,6 m3 s-1 zstává tato kóta v míst zaústní odpadního kanálu z COV Hradec Králové prakticky nezmnna. Totéz platí i pro prtoky nizsí. Prmrná hloubka ve sledovaném úseku o délce 1500 m byla stanovena na 3,32 m na základ podélného profilu znázornného na obr. 6. Hydraulický polomr pi síce toku 50 m vychází piblizn R = 2,93 m. Z výsledk uvedených v tab. 1 je patrné, ze nejvyssí hodnoty koncentrace, vyskytující se v hydrodynamické ose vypoustní, tsn sledují levý beh Labe. Z výsledk mení byly vypocteny díve popsaným zpsobem maximální hodnoty xef*Ey, pipadající na jednotlivé vzdálenosti x. Pi regresní analýze (viz obr. 3) byla nejdíve vyloucena odlehlá hodnota pipadající na vzdálenost x = 30 m od místa vypoustní. Následovn byla body prolozena regresní pímka. Z regresní analýzy vyplývá, ze soucinitel pícné horizontální disperze Ey = 0,0081 m2 s-1 a efektivní pocátek vypoustní je posunut smrem proti proudu o xs = 0,0022/Ey = 0,27 m, coz je zanedbatelné, takze v tomto pípad je mozno skutecnou vzdálenost od místa vypoustní povazovat za totoznou s efektivní vzdáleností. Nyní vyjádíme soucinitel pícné horizontální disperze ve tvaru Ey = y hg 0,5 n Rp (5) Obr. 5. Mnozství znecistné vody vypoustné z COV Hradec Králové dne 20. 4. 2007 ; _ ­ namené hodnoty, - ­ prmr. Fig. 5. Amount of waste water discharged from the WWTP Hradec Králové on 20. 4. 2007; _ ­ observed values, - ­ average. Obr. 6. Podélný profil Labe v úseku pod COV Hradec Králové; _ ­ dno, -.-.- ­ jednoletá voda, - ­ minimální hladina vzdutí, ...... ­ prmrný spád dna. Fig. 6. The longitudinal profile of the Elbe River downstream of the WWTP Hradec Králové; _ ­ bottom, -.-.- ­ one-year flow, - ­ minimum top water level, ...... ­ average bottom slope. T a b u l k a 1. Maximální pevýsení mené koncentrace nad koncentrací pozadí, vyjádené v procentech. T a b l e 1. Maximal excess measured concentration above ambient background concentration in percents. x[m] y[m] 0 2 5 10 15 20 25 30 50 max 0 100,0 ­ ­ ­ 0,3 0,1 ­ ­ ­ 100 3 ­ 23,2 ­ 65,0 0,3 0,3 ­ ­ ­ 65,0 10 ­ ­ ­ 29,9 43,4 0,3 ­ ­ ­ 43,4 30 ­ ­ ­ 9,7 9,7 0,3 ­ ­ ­ 9,7 50 ­ 20,5 11,1 11,1 19,1 0,3 ­ ­ ­ 20,5 80 ­ 16,4 ­ 16,4 3,0 0,7 0,4 ­ ­ 16,4 150 ­ 15,1 8,4 5,7 3,8 2,3 0,3 ­ ­ 15,1 270 ­ 9,7 11,1 11,1 8,4 8,4 0,3 ­ ­ 11,1 500 ­ 8,4 7,7 8,4 4,3 1,6 0,5 ­ ­ 8,4 620 ­ 7,7 7,0 5,7 3,0 1,6 0,3 ­ 0,0 7,7 850 ­ 6,3 6,3 6,6 5,7 3,0 1,6 1,2 0,1 6,6 1100 ­ 5,7 5,4 4,7 3,0 2,2 1,6 0,9 0,1 5,7 1500 ­ 4,6 4,6 4,3 3,2 2,7 1,2 0,8 0,0 4,6 Po dosazení známých hodnot Ey, h, g a R zstanou v rov. (5) poslední dv neznámé: n a y. Po dosazení koeficientu drsnosti n = 0,025, který odpovídá danému charakteru toku, na koeficient y pipadla hodnota y = 0,173. Po uskutecnní výpoct pomocí rov. (1) dostaneme pro oblast dvourozmrného síení znecistní (far field) hodnoty uvedené v tab. 2. Rozdíl mezi zmeným a vypocteným pevýsením koncentrace nad koncentrací pozadí je uveden v procentech v tab. 3. V centrální cásti vlecky znecistní v podélném smru dochází k dobré shod mezi namenými a vypoctenými hodnotami. K ponkud vtsí diferenci dochází v pícném smru v okrajové cásti vlecky. Pevýsení koncentrací v hydrodynamické centrální ose nad pvodní koncentrací v toku je znázornno v grafu na obr. 4. V grafu je rovnz informativn zachycen výstup z imisního testu pouzívaného v Holandsku. Ve vnitním nastavení testu bylo nejdíve nutno zmnit pvodní nastavení soucinitele y z pvodní hodnoty 0,6 na hodnotu 0,173 a koeficientu drsnosti z pvodní hodnoty 0,05 na hodnotu 0,025. Výsledné hodnoty vycházejí ponkud odlisné, protoze imisní test pouzívá nkteré jiné vzorce (napíklad pro výpocet Chézyho soucinitele a tecí rychlosti) nez byly pouzity pi výpoctu podle rov. (1). 131 T a b u l k a 2. Výpocet podle upravené rov. (1), hodnoty vyjádené v procentech. T a b l e 2. Calculation by adapted Eq. (1) in percents. x[m] y[m] 0 2 5 10 15 20 25 30 50 0 100 ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ 3 ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ 10 ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ 30 ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ 50 25,6 14,8 0,9 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 80 20,2 14,4 2,4 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 150 14,8 12,3 4,7 0,2 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 270 11,0 9,9 5,9 0,9 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 500 8,1 7,7 5,8 2,1 0,4 0,0 0,0 0,0 0,0 620 7,3 6,9 5,5 2,4 0,6 0,1 0,0 0,0 0,0 850 6,2 6,0 5,1 2,8 1,0 0,3 0,0 0,0 0,0 1100 5,4 5,3 4,7 2,9 1,4 0,5 0,1 0,0 0,0 1500 4,7 4,6 4,2 3,0 1,7 0,8 0,3 0,1 0,0 T a b u l k a 3. Rozdíly mezi vypoctenými a menými hodnotami, vyjádené v procentech. T a b l e 3. Differences between calculated and measured values in percents. x[m] y[m] 0 2 5 10 15 20 25 30 50 0 0 ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ 3 ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ 10 ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ 30 ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ 50 ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ 80 ­ 2,1 ­ 16,4 3,0 0,7 0,4 ­ ­ 150 ­ 2,8 3,6 5,5 3,8 2,3 0,3 ­ ­ 270 ­ -0,2 5,2 10,2 8,3 8,4 0,3 ­ ­ 500 ­ 0,7 1,9 6,3 3,9 1,6 0,5 ­ ­ 620 ­ 0,7 1,5 3,2 2,4 1,5 0,3 ­ 0,0 850 ­ 0,3 1,3 3,8 4,6 2,7 1,6 1,2 0,1 1100 ­ 0,3 0,7 1,8 1,6 1,7 1,5 0,9 0,1 1500 ­ 0,0 0,4 1,3 1,6 1,9 0,9 0,7 0,0 Vzhledem k tomu, ze rozdíly mezi hodnotami namenými v toku a hodnotami vypoctenými podle rov. (1) jsou pijatelné, mze být tato rovnice s uvedenými konstantami pouzita pro predikci hydrodynamické mísící zóny pod COV Hradec Králové i za jiných prtokových stav v pípad, ze bude docházet k pozitivnímu nadlehcování vypoustných odpadních vod v recipientu. Z hlediska dopadu vypoustní na zivotní prostedí to umozní vyhledání nejnepíznivjsích mozných kombinací. 5. Závr Výsledky mení konduktivity v prostoru mísící zóny v Labi pod COV Hradec Králové naznacují, ze se jedná o pomalé mísení citlivé na teplotní zmny. Jako podklad pro vymezení regulacní mísící zóny je dlezitjsí první pípad z dubna 2007, ve kterém byly vypoustné odpadní vody v recipientu pozitivn nadlehcovány a vlecka znecistní mla tendenci se drzet pi hladin, protoze byl mením 132 zjistn vtsí rozsah mísící zóny nez v pípad druhém z cervence 2007. Vtsí rozsah mísící zóny mze mít totiz mén píznivý vliv z hlediska dopadu na zivotní prostedí. Oproti skutecnému stavu modelová interpretace situaci znacn zjednodusuje, takze musí být brána s urcitou rezervou. Napíklad u koeficientu y se uvádí rozmezí hodnot od 0,3 do 1,0 (US EPA, 1991), kde nizsí hodnota platí pro pomalé mísení a vyssí hodnota pro rychlé mísení. V nasem pípad vysla hodnota nizsí nez uvedené rozmezí. Nízké hodnoty koeficientu ukazují na pomalé mísení. Pro interpretaci chování vlecky znecistní pi negativním nadlehcování (jaké bylo podchyceno napíklad mením v toku v cervenci 2007) by bylo nutno pouzít slozitjsích modelovacích prostedk. Jak uz bylo eceno v úvodu, k objektivnímu vymezení regulacní zóny pilehlé k místu vypoustní z významného bodového zdroje znecistní je potebná velmi dobrá znalost skutecné konkrétní hydraulické mísící zóny. K tomu v mnoha pípadech nestací pouhé numerické modelování, ale je nutno mit pímo v terénu a teprve na základ numerické interpretace výsledk je mozno uskutecovat predikci pro rzné pedpokládané nejnepíznivjsí situace pomocí modelování ­ napíklad pro vypoustní pi nízkých prtocích blízkých Q355. Podkování. Clánek vznikl díky financní podpoe vnované Ministerstvem zivotního prostedí Ceské republiky výzkumnému zámru MZP 0002071101 ,,Výzkum a ochrana hydrosféry". Autor by touto cestou chtl také podkovat Královopolské provozní a.s. za poskytnutí informací o vypoustném mnozství z COV Hradec Králové, Povodí Labe, s.p. za poskytnutí údaj o koryt Labe v úseku pod cistírnou a v neposlední ad vedoucímu výzkumného zámru ing. Tomási Micaníkovi za poskytnutí údaj výsledk mení konduktivity a také ing. Jiímu Kucerovi, který mení zabezpecoval. Seznam symbol U h B Ey Us x y x´ y´ y0 y0´ Qr Cr C LITERATURA DIRECTIVE 2008/105/EC of the European Parliament and of the Council of 16 December 2008 on environmental quality standards in the field of water policy. DONEKER R.L., JIRKA G.H., HINTON S.W., 2007: A Hydrodynamic Mixing Zone Model and Decision Support System for Pollutant Discharges into Surface Waters. Cormix User Manual, 213 pp., Office of Science and Technology, U.S. Enrironmental Protection Agency, Washington DC 20460. FISCHER H.B., LIST E.J., KOH R.C.Y., IMBERGER J., DROOKS N.H., 1979: Mixing in Inland and Coastal Waters, Academic Press, Inc., New York, xiv + 483 p. HELPDESK WATER IMMISSIE TOETS, Online, cit. 9. 2. 2009: [http://www.helpdeskwater.nl/emissiebeheer/industrieel/ afvalwater/beoordelen_emissies/emissie-immissie/ ciw_immissie_toets_versie_1.2.xls]. MATTAS D, Online, cit. 14. 5. 2010: [http://hydraulika.fsv.cvut.cz/Predmety/HEMM/skripta/ MONIT.DOC]. MICANÍK T., KUCERA J., SÝKORA F., BELDA J., SAJER J., 2008: Problematika stanovení mísicí zóny v kontextu návrhu smrnice ES o normách environmentální kvality a o zmn smrnice 2000/60/ES, VTEI ­ Vodohospodáské technicko-ekonomické informace, 50, 1, 1­3. ÍHA J., 2008: Bilancní model jakosti vody v síti vodních tok. Vodní hospodáství, 58, 6, 188­194. US-EPA, 1991: Technical support document for water quality based toxics control. WFD (Water Framework Directive), 2000, Official Publication of the European Community, L327, Brussels. Doslo 4. augusta 2009 Prijaté 10. marca 2010 ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ = ­ ­ ­ ­ Qe Ce C0 n R g p xef ­ xs ­ Q355 ­ prmrná rychlost v recipientu [m s-1], prmrná hloubka v sledovaném úseku recipientu [m], prmrná síka v sledovaném úseku recipientu [m], soucinitel pícné horizontální disperze, který mze být vyjáden jako Ey = y *h*Us [m2 s-1], tecí rychlost [m s-1], podélná vzdálenost od vypoustní k zájmovému bodu v recipientu [m], pícná vzdálenost bodu zájmu od behu [m], bezrozmrný soucinitel, který mze být vyjáden jako x´ = x*Ey/(U*B2), bezrozmrný soucinitel, který mze být vyjáden jako y´ = y/B, pícná vzdálenost bodu vypoustní od behu [m], bezrozmrný soucinitel, který mze být vyjáden jako y0´ = y/B, prtok v recipientu [m3 s-1], aktuální pozaová koncentrace v recipientu [%], maximální koncentrace píslusející souadnicím x, y [%], bezrozmrný koeficient závislý na typu a stupni nepravidelnosti pícného profilu koryta recipientu, vypoustné mnozství [m3 s-1], vypoustná koncentrace [ %], (Ce ­ Cr)*Qe/(U*B*h) [%], soucinitel drsnosti [­], hydraulický polomr v sledovaném úseku [m], gravitacní zrychlení [m s-2], Pavlovského exponent (p = 2,5.n0,5­ 0,13 ­ 0,75.R0,5. (n0,5­ 0,1), efektivní vzdálenost [m], rozdíl mezi efektivní a skutecnou vzdáleností [m], prtok, který je dodrzen nebo pekrocen po 355 dní v roce [m3 s-1]. MODEL INTERPRETATION OF RESULTS OF MEASUREMENT MIXING ZONE IN THE ELBE RIVER DOWNSTREAM FROM THE WWTP HRADEC KRÁLOVÉ Jií Sajer In accordance with the Directive 2008/105/EC Member States may designate regulatory mixing zones adjacent to points of discharge. Concentrations of one or more substances listed in Part A of Annex 1 of this Directive may exceed the relevant EQS within such mixing zones if they do not affect the compliance of the rest of the body of surface water with those standards. As a basis for designating regulatory mixing zone adjacent to an existing point source is the best knowing of the really hydrodynamic mixing zone very important. That's the reason, why conductivity in the River Elbe dowstream waste water treatment plant (WWTP) Hradec Králové was measured. WWTP Hradec Králové is located on the left shore of the Elbe River and belong between one of the biggest Czech Republic´s WWTP of a size in excess of 100 000 PE. Using a boat, point measurements were taken at distances described in Tab. 1. The study reach downstream of the WWTP Hradec Králové was approximately 1500 m long. The longitudinal profile of the Elbe River is shown in Fig. 6. First measurements were in April 2007. Second measurements were in July 2007. Ambient flowrate and discharge flowrate in April were about the same as ambient flowrate and discharge flowrate in July. In April were discharge temperature 21.1°C and ambient temperature 19.4°C. In July were discharge temperature 11.6°C and ambient temperature 14.2°C. The effluent was positively buoyant in the first case and negatively buyoant in the second case. The first case was more important for this study because of larger hydrodynamic mixing zone. Results of conductivity field measurements are listed in Tab. 1. They are expressed as an excess concentration above the ambient background concentration. It was most convenient to specify Ce ­ Cr = 100%. Simple linear regression was used to specify a non-dimensional coefficient y needed for model interpretation at first. Ey is the factor which determines the slope of the regression line in Fig. 3. The intercept of this regression line can be expressed as Ey*xs. Value xs > show slow mixing and sensitivity to temperature differences. In the second case was effluent negatively buyoant and tend to fall towards the bottom. For numerical interpretation of this case we need to use any compexifier mixing zone model. List of symbols Qr U h B Ey Us C Cr y Qe Ce x x´ y y´ y0 y0´ C0 Q355 n R g p xef xs ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ = ­ = ­ = = ­ ­ ­ ­ ­ ­ the ambient flowrate [m3 s-1], the ambient velocity[m s-1], the river depth [m], the river widh [m], the horizontal diffusivity expressed as Ey = y *h*Us [m2 s-1], the shear velocity [m s-1], the concentration at point of interest [%], is the actual ambient background concentration [%], a non-dimensional coefficient depending on the type and degree of irregularity of the channel cross-sections, the discharge flowrate [m3 s-1], the discharge conductivity [%], the distance downstream to point of interest [m], x*Ey/(U*B2) [­], the distance from nearest shoreline to point of interest [m], y/B [­], the discharge distance from nearest shoreline [m], y/B [­], (Ce ­ Cr)*Qe/(U*B*h) [%], ­ the drought flow equaled or exceeded 355 days per year [m3 s-1], the non-dimensional Manning's roughness coefficient, the hydraulic radius [m], the gravity acceleration constant [9.81 m s-2], the Pavlovskij`s exponent (p = 2.5.n0,5 ­ 0.13 ­ 0.75. R0,5.(n0,5 ­ 0.1), the effective distance [m], the differece between effektive and real distance [m]. 0 shows on initial jet mixing. In our case was xs neglecting. The region after complete vertical mixing (farfield) was of interest in this study. Numerical interpretation by means of Eq. (1) for the centerline, comparison with field data and comparison with Netherlands immission test are shown in Fig. 4. Results of numerical interpretation by means of Eq. (1) adaptet for excess concentration at point of interest above the ambient background concentration are in Tab. 2. Differences between numerical results and field data are in Tab. 3. Comparison of the numerical results with field measurements shows that both methods are useable for prediction of the hydrodynamic mixing zone adjacent to WWTP Hradec Králové in case when the effluent is positively buoyant. Results http://www.deepdyve.com/assets/images/DeepDyve-Logo-lg.png Journal of Hydrology and Hydromechanics de Gruyter

Model interpretation of results of measurement mixing zone in the Elbe River downstream from the WWTP Hradec Králové

Loading next page...
 
/lp/de-gruyter/model-interpretation-of-results-of-measurement-mixing-zone-in-the-elbe-i8j0Mgxow5
Publisher
de Gruyter
Copyright
Copyright © 2010 by the
ISSN
0042-790X
DOI
10.2478/v10098-010-0012-2
Publisher site
See Article on Publisher Site

Abstract

J. Hydrol. Hydromech., 58, 2010, 2, 126­134 DOI: 10.2478/v10098-010-0012-2 MODELOVÁ INTERPRETACE VÝSLEDK MENÍ MÍSÍCÍ ZÓNY V LABI POD VYPOUSTNÍM Z COV HRADEC KRÁLOVÉ JIÍ SAJER Výzkumný ústav vodohospodáský T.G.Masaryka, v. v. i., Macharova 5, 702 00 Ostrava, Ceská republika; Mailto: jiri_sajer@vuv.cz Ve shod se Smrnicí 2008/105/ES mohou clenské státy vymezit regulacní mísící zóny pilehlé k místu vypoustní. Koncentrace jedné nebo více látek uvedené v seznamu v cásti A pílohy 1 této smrnice smjí pekracovat významné normy environmentální kvality uvnit takových regulacních mísících zón, pokud nebudou mít vliv na dodrzení tchto norem ve zbývající cásti vodního útvaru. Jako základ pro vymezení regulacní mísící zóny pilehlé k existujícímu bodovému zdroji znecistní je velmi dlezitá co nejlepsí znalost skutecné hydrodynamické zóny. To je dvod, proc byla v Labi pod cistírnou odpadních vod (COV) Hradec Králové mena konduktivita. V tomto clánku je popsána modelová interpretace výsledk mení. COV Hradec Králové se nachází na levém behu Labe a patí mezi jednu z nejvtsích COV v Ceské republice s kapacitou pesahující 100 000 EO. Studie se zajímá o oblast po kompletním vertikálním promísení. Je pouzito modelování dvoudimenzionálního (2D) síení vlecky znecistní z bodového zdroje v ece, zalozené na metod, kterou uvádí Fischer et al. (1979) s korekcí pro úcinný zacátek vypoustní. Porovnání numerických výsledk s výsledky z terénního mení ukazují, ze metoda je pouzitelná pro predikci hydrodynamické mísící zóny pilehlé k COV Hradec Králové v pípad, ze odpadní vody jsou v recipientu positivn nadlehcovány. KLÍCOVÁ SLOVA: povrchové vody, mísící zóna, vypoustní odpadních vod, znecistní vody, konduktivita, numerické modelování. Jií Sajer: MODEL INTERPRETATION OF RESULTS OF MEASUREMENT MIXING ZONE IN THE ELBE RIVER DOWNSTREAM FROM THE WWTP HRADEC KRÁLOVÉ. J. Hydrol. Hydromech., 58, 2010, 2; 9 lit., 6 obr., 3 tab. In accordance with the Directive 2008/105/EC Member States may designate regulatory mixing zones adjacent to points of discharge. Concentrations of one or more substances listed in Part A of Annex 1 of this Directive may exceed the relevant EQS within such mixing zones if they do not affect the compliance of the rest of the body of surface water with those standards. As a basis for designating regulatory mixing zone adjacent to an existing point source is the best knowing of the really hydrodynamic mixing zone very important. That's the reason, why conductivity in the Elbe River dowstream waste water treatment plant (WWTP) Hradec Králové was measured. Numerical analysis of results is described in this paper. WWTP Hradec Králové is located on the left shore of the Elbe River and belong between one of the biggest Czech Republic´s WWTP of a size in excess of 100 000 PE. The region after complete vertical mixing is of interest in this study. Modeling of the two-dimenzional (2D) contaminant spreading of plume from point source in a river based on the method of Fisher et al. (1979) with correction for the effective origin of effluent is used. Comparison of the numerical results with field measurements shows that this method is useable for prediction of the hydrodynamic mixing zone adjacent to WWTP Hradec Králové in case when the effluent is positively buoyant. KEY WORDS: Surface Waters, Mixing Zone, Effluents, Water Pollution, Conductivity, Numerical Modeling. 1. Úvod Podle Smrnice 2008/105/ES o normách environmentální kvality v oblasti vodní politiky, zmn a následném zrusení smrnic Rady 82/176/EHS, 83/513/EHS, 84/156/EHS a 86/280/EHS a zmn smrnice 2000/60/ES ze dne 13. prosince 2008 mohou clenské státy vymezit regulacní mísící zóny pilehlé k místu vypoustní. Regulacní mísící zóna je definována jako oblast povrchových vod bezprostedn navazující na místo vypoustní prioritních látek, ve které normy environmentální kvality nemusí být dosahovány, pokud se má dvodn za to, ze vypoustním je ovlivnna jakost povrchových vod a navazujícího vodního ekosystému. Aby bylo mozno co nejobjektivnji vymezit regulacní mísící zónu, je potebná velmi dobrá znalost skutecné hydraulické mísící zóny. Za tím úcelem uskutecnil Výzkumný ústav vodohospodáský T.G. Masaryka, v. v. i. adu mení v tocích pod významnými bodovými zdroji znecistní. Jedním z takových významných bodových zdroj znecistní byla i cistírna odpadních vod Hradec Králové. Podle údaj uvedených v Integrovaném registru znecisování zivotního prostedí (IRZ) vypustila tato cistírna do povrchových vod za rok 2007 6,1 kg rtuti, která je zaazena mezi prioritní látky nebezpecné pro vodní organismy. Se svou kapacitou 141 000 EO se cistírna adí mezi deset nejvtsích COV v Ceské republice s velikostí nad 100 000 EO. Cistírna vypoustí prmrn 44 000 m3 den-1 (17 milión/rok). Odpadní vody z COV jsou vypoustny do Labe prostednictvím oteveného odpadního kanálu. V míst zaústní kanálu je hladina Labe vzduta Opatovickým jezem. Jedná se o pevný jezový objekt se 112 m dlouhou pelivnou korunou na kót 225,3 m.n.m. Ze zdrze jezového objektu odbocuje 31,8 km dlouhý Opatovický kanál. Síka Opatovického kanálu u vtoku je 15 m a prmrná hloubka 1,5 m. Kapacita pevodu je 6,5 m3 s-1. Výska hladiny u jezu v Opatovicích se pi prmrných a nizsích prtocích drzí zhruba na kót 225 m.n.m. a pelivná koruna jezu zstává suchá. Tepelná elektrárna Opatovice nesmí zvysovat odbr uzitkové vody nad 11,6 m3 s-1 s tím, ze soucasn musí být dodrzována i stanovená hodnota minimálního zstatkového prtoku 5 m3 s-1 v ece Labi pod Opatovickým jezem. Situace je patrná z obr. 1. Clánek se zabývá modelovou interpretací výsledk mení konduktivity v úseku Labe pod vyústním odpadního kanálu z COV Hradec Králové s uzsím zamením na dvourozmrnou oblast síení vlecky znecistní. Obr. 1. Situace. Fig. 1. Situation. 2. Teorie hydraulické mísící zóny Podélná a zejména pak pícná disperze se významnou mrou podílejí na prbhu prostorových a casových zmn koncentrace cizorodých látek v toku. (Matas, 2009). Pi pomrn malých gradientech koncentrace v podélném profilu a pi bzných rychlostech vody (ádov desetiny [m s-1] a vyssí) je vliv podélné hydrodynamické disperze ádov nizsí nez vliv advektivní slozky (íha, 2008). Znecistní vypoustné z bodového zdroje do recipientu se obecn zpocátku síí tírozmrn (near field) a po vyrovnání koncentrace ve svislé ose dvourozmrn (far field). Prbh hydraulického mísení je nezávislý na velikosti koncentrace. Je výhodné pocítat s koncentrací uvádnou v procentech (Doneker et al., 2007). Zavedeme-li koordinacní systém a pirozený tvar koryta recipientu nahradíme piblizn odpovídajícím prizmatickým korytem o síce B a hloubce h podle obr. 2, pak v oblasti dvourozmrného síení bude probíhat rozdlení koncentrací konzervativní látky smrem dol po proudu podle rov. (1). V literatue (Fischer et al., 1979) se m127 zeme setkat s touto rovnicí ve tvaru, který platí pro nulovou koncentraci Cr -( y-2 n- y0 )2 4 x e c - cr 1 = . c0 4 x n =- -( y-2n + y0 )2 4 x +e centech. Centrální hydrodynamická osa tsn sledovala levý beh. Pro kazdý bod na centrální ose, ve kterém se milo, byla vypoctena hodnota Eyxef podle rov. (3) (1) V pípad aktivního vypoustní nebo významného výskytu singularit v toku pod vypoustním se do výpoct zavádí fiktivní vzdálenost xs mezi skutecným a efektivním bodem vypoustní. Celkovou efektivní vzdálenost pak lze vypocítat jako Qe ( Ce - Cr ) (C - C ) r E y xef = Uh 2 (3) a v grafu na obr. 3 byla vynesena závislost této hodnoty na vzdálenosti x. Lineární regresní kivka prolozená vynesenými body má tvar xef = x + xs . (2) y = kx + q, (4) Ze sofwarových prostedk umozujících výpocty a modelování mísící zóny je mozno pro jednodussí pípady jmenovat imisní test pouzívaný v Holandsku, pro slozitjsí, zahrnující nkteré významné vlivy (napíklad vliv stratifikace vody, vliv vtru apod.), je to napíklad CORMIX. kde lineární koeficient k odpovídá hodnot Ey a absolutní clen q se rovná soucinu Ey*xs. Z regresní pímky tedy bylo mozno pímo získat hodnotu Ey a následujícím výpoctem hodnotu xs. Z takto získané hodnoty Ey byla pro píslusný koeficient drsnosti toku upesnna hodnota soucinitele y, která pak byla pouzita pro dalsí výpocty. Pro body, ve kterých se milo, byl uskutecnn výpocet pomocí rov. (1). Výsledky výpoctu pro centrální hydrodynamickou osu (y = 0) byly porovnány s výsledky mení v terénu a s výsledky získanými pomocí imisního testu pouzívaného v Holandsku (obr. 4). 4. Výsledky a diskuse Obr. 2. Definice symbol a koordinacní systém. Fig. 2. Definition of symbols and coordinate system. 3. Metody esení K mení prbhu mísení byla zvolena jako referencní parametr elektrická konduktivita (mrná vodivost), která je snadno stanovitelná penosným pístrojem pímo v terénu. Na ece Labi byl nejcastji pouzíván pístroj WTW Cond 340i a nkdy také WTW Multi 340i, pípadn pH/Cond 340i. Pod COV Hradec Králové probhla dv mení. První probhlo v dubnu a druhé v cervenci 2007, ob za nizsích prtok. Mení probíhalo z nafukovací kanoe, aktuální poloha lodi byla zjisována pomocí GPS. Pro výpocty se jevilo vhodné zavést Ce ­ Cr = = 100 %. Výsledky mení konduktivity pak byly pepocteny na rozdíly mezi maximáln zjistnou konduktivitou v mených bodech a pvodní neovlivnnou konduktivitou v toku a vyjádeny v pro128 Pi mení realizovaném 20. 4. 2007 cinila maximáln zjistná konduktivita vypoustné odpadní vody 1000 µS cm-1, eka Labe v celém pícném profilu nad místem vypoustní vykazovala vodivost 260 µS cm-1. Odpadní voda byla o 2,6 °C teplejsí nez voda v ece. Vlecka vypoustné odpadní vody se drzela pi levém behu a po 100 metrech od místa vypoustní dosahovala do cca 1/3 síky toku. Konce mísící zóny ve vzdálenosti 1500 m pod výpustí jest nebylo dosazeno. Pi tomto mení nebyl v celém meném úseku toku Labe v rzných hloubkách zjistn rozdíl konduktivity. Ponkud jiná situace nastala pi mení téhoz úseku toku v cervenci 2007. Konduktivita odpadní vody z COV Hradec Králové byla obdobná a cinila 1095 µS cm-1. Konduktivita povrchové vody nad místem vypoustní v neovlivnné cásti eky cinila 342 µS cm-1. Teplota odpadní vody vsak byla o 1,7 °C nizsí nez v recipientu. Proud odpadní vody tímto klesal ke dnu a smoval k protjsímu pravému behu. I ve vzdálenosti 40 m pod výustí byla konduktivita v ce- Obr. 3. Regresní analýza; ­ 2D síení vlecky, ­ 3D síení vlecky, × ­ tato hodnota byla vypustna, _ ­ lineární regrese. Fig. 3. Regression analysis; ­ 2D plume spreading, ­ 3D plume spreading, × ­ this value was ruled out, _ ­ linear regression. Obr. 4. Pevýsení koncentrací v centrální ose nad koncentracemi pozadí v recipientu; ­ 2D síení vlecky, ­ 3D síení vlecky, ­ imisní test pouzívaný v Holandsku, × ­ rov. (1) pi y0 = 0, - ­ regrese 1 (namené hodnoty), _ ­ regrese 2 (hodnoty vypoctené podle rov. (1)). Fig. 4. Centerline excess concentration above ambient background concentration; ­ 2D plume spreading, ­ 3D plume spreading, ­ immission test which is used in Netherlands, × ­ Eq. (1) by y0 = 0, - ­ regression 1 (observed values), _ ­ regression 2 (computed values by means of Eq. (1)). lém pícném profilu Labe pi hladin shodná s konduktivitou v neovlivnném úseku nad výpustí. Pi levém behu vsak konduktivita významn vzrostla v hloubce 1,5 metru. V dalsím úseku mísení se odpadní voda promíchávala ode dna k hladin a soucasn smrem od levého k pravému behu. Na rozdíl od pedchozího mení byla jiz 500 m pod výpustí ovlivnna i voda u pravého behu (Micaník et al., 2008). Následující modelová interpretace výsledk se zamuje na výsledky mení ze dne 20. 4. 2007, kdy byl rozsah mísící zóny podstatn vtsí, a tedy i mozný dopad na zivotní prostedí mén píznivý. Výsledky mení konduktivity byly pepocteny na rozdíly mezi maximáln zjistnou konduktivitou v mených bodech a pvodní neovlivnnou konduktivitou v toku a vyjádeny v procentech. Jsou shrnuty v tab. 1. Z COV Hradec Králové bylo toho dne vypustno 40 260 m3 odpadní vody. To je v prmru 0,466 m3 s-1. Mnozství bylo meno ponornou sondou, která snímá rychlost proudní a výsku hladiny. Nerovnomrnost vypoustní v prbhu dne je znázornna na obr. 5. V dob mení konduktivity se pohybovalo mnozství vypoustné z COV Hradec Králové kolem 0,455 m3 s-1. Prtoky byly v Orlici na limnigrafické stanici v Hradci Králové 13,6 m3 s-1 a v Labi nad Orlicí v Hradci Králové 23,0 m3 s-1. To znamená, ze pod Hradcem Králové byl prmrný prtok v Labi asi 36,6 m3 s-1. Hladina vzdutí nad jezovým tlesem Opatovice je obvykle udrzována na kót 225 m.n.m. a koruna jezového tlesa zstává suchá. Výpoctem kivky vzdutí podle Pavlovského bylo oveno, ze pi prtoku 36,6 m3 s-1 zstává tato kóta v míst zaústní odpadního kanálu z COV Hradec Králové prakticky nezmnna. Totéz platí i pro prtoky nizsí. Prmrná hloubka ve sledovaném úseku o délce 1500 m byla stanovena na 3,32 m na základ podélného profilu znázornného na obr. 6. Hydraulický polomr pi síce toku 50 m vychází piblizn R = 2,93 m. Z výsledk uvedených v tab. 1 je patrné, ze nejvyssí hodnoty koncentrace, vyskytující se v hydrodynamické ose vypoustní, tsn sledují levý beh Labe. Z výsledk mení byly vypocteny díve popsaným zpsobem maximální hodnoty xef*Ey, pipadající na jednotlivé vzdálenosti x. Pi regresní analýze (viz obr. 3) byla nejdíve vyloucena odlehlá hodnota pipadající na vzdálenost x = 30 m od místa vypoustní. Následovn byla body prolozena regresní pímka. Z regresní analýzy vyplývá, ze soucinitel pícné horizontální disperze Ey = 0,0081 m2 s-1 a efektivní pocátek vypoustní je posunut smrem proti proudu o xs = 0,0022/Ey = 0,27 m, coz je zanedbatelné, takze v tomto pípad je mozno skutecnou vzdálenost od místa vypoustní povazovat za totoznou s efektivní vzdáleností. Nyní vyjádíme soucinitel pícné horizontální disperze ve tvaru Ey = y hg 0,5 n Rp (5) Obr. 5. Mnozství znecistné vody vypoustné z COV Hradec Králové dne 20. 4. 2007 ; _ ­ namené hodnoty, - ­ prmr. Fig. 5. Amount of waste water discharged from the WWTP Hradec Králové on 20. 4. 2007; _ ­ observed values, - ­ average. Obr. 6. Podélný profil Labe v úseku pod COV Hradec Králové; _ ­ dno, -.-.- ­ jednoletá voda, - ­ minimální hladina vzdutí, ...... ­ prmrný spád dna. Fig. 6. The longitudinal profile of the Elbe River downstream of the WWTP Hradec Králové; _ ­ bottom, -.-.- ­ one-year flow, - ­ minimum top water level, ...... ­ average bottom slope. T a b u l k a 1. Maximální pevýsení mené koncentrace nad koncentrací pozadí, vyjádené v procentech. T a b l e 1. Maximal excess measured concentration above ambient background concentration in percents. x[m] y[m] 0 2 5 10 15 20 25 30 50 max 0 100,0 ­ ­ ­ 0,3 0,1 ­ ­ ­ 100 3 ­ 23,2 ­ 65,0 0,3 0,3 ­ ­ ­ 65,0 10 ­ ­ ­ 29,9 43,4 0,3 ­ ­ ­ 43,4 30 ­ ­ ­ 9,7 9,7 0,3 ­ ­ ­ 9,7 50 ­ 20,5 11,1 11,1 19,1 0,3 ­ ­ ­ 20,5 80 ­ 16,4 ­ 16,4 3,0 0,7 0,4 ­ ­ 16,4 150 ­ 15,1 8,4 5,7 3,8 2,3 0,3 ­ ­ 15,1 270 ­ 9,7 11,1 11,1 8,4 8,4 0,3 ­ ­ 11,1 500 ­ 8,4 7,7 8,4 4,3 1,6 0,5 ­ ­ 8,4 620 ­ 7,7 7,0 5,7 3,0 1,6 0,3 ­ 0,0 7,7 850 ­ 6,3 6,3 6,6 5,7 3,0 1,6 1,2 0,1 6,6 1100 ­ 5,7 5,4 4,7 3,0 2,2 1,6 0,9 0,1 5,7 1500 ­ 4,6 4,6 4,3 3,2 2,7 1,2 0,8 0,0 4,6 Po dosazení známých hodnot Ey, h, g a R zstanou v rov. (5) poslední dv neznámé: n a y. Po dosazení koeficientu drsnosti n = 0,025, který odpovídá danému charakteru toku, na koeficient y pipadla hodnota y = 0,173. Po uskutecnní výpoct pomocí rov. (1) dostaneme pro oblast dvourozmrného síení znecistní (far field) hodnoty uvedené v tab. 2. Rozdíl mezi zmeným a vypocteným pevýsením koncentrace nad koncentrací pozadí je uveden v procentech v tab. 3. V centrální cásti vlecky znecistní v podélném smru dochází k dobré shod mezi namenými a vypoctenými hodnotami. K ponkud vtsí diferenci dochází v pícném smru v okrajové cásti vlecky. Pevýsení koncentrací v hydrodynamické centrální ose nad pvodní koncentrací v toku je znázornno v grafu na obr. 4. V grafu je rovnz informativn zachycen výstup z imisního testu pouzívaného v Holandsku. Ve vnitním nastavení testu bylo nejdíve nutno zmnit pvodní nastavení soucinitele y z pvodní hodnoty 0,6 na hodnotu 0,173 a koeficientu drsnosti z pvodní hodnoty 0,05 na hodnotu 0,025. Výsledné hodnoty vycházejí ponkud odlisné, protoze imisní test pouzívá nkteré jiné vzorce (napíklad pro výpocet Chézyho soucinitele a tecí rychlosti) nez byly pouzity pi výpoctu podle rov. (1). 131 T a b u l k a 2. Výpocet podle upravené rov. (1), hodnoty vyjádené v procentech. T a b l e 2. Calculation by adapted Eq. (1) in percents. x[m] y[m] 0 2 5 10 15 20 25 30 50 0 100 ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ 3 ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ 10 ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ 30 ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ 50 25,6 14,8 0,9 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 80 20,2 14,4 2,4 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 150 14,8 12,3 4,7 0,2 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 270 11,0 9,9 5,9 0,9 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 500 8,1 7,7 5,8 2,1 0,4 0,0 0,0 0,0 0,0 620 7,3 6,9 5,5 2,4 0,6 0,1 0,0 0,0 0,0 850 6,2 6,0 5,1 2,8 1,0 0,3 0,0 0,0 0,0 1100 5,4 5,3 4,7 2,9 1,4 0,5 0,1 0,0 0,0 1500 4,7 4,6 4,2 3,0 1,7 0,8 0,3 0,1 0,0 T a b u l k a 3. Rozdíly mezi vypoctenými a menými hodnotami, vyjádené v procentech. T a b l e 3. Differences between calculated and measured values in percents. x[m] y[m] 0 2 5 10 15 20 25 30 50 0 0 ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ 3 ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ 10 ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ 30 ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ 50 ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ 80 ­ 2,1 ­ 16,4 3,0 0,7 0,4 ­ ­ 150 ­ 2,8 3,6 5,5 3,8 2,3 0,3 ­ ­ 270 ­ -0,2 5,2 10,2 8,3 8,4 0,3 ­ ­ 500 ­ 0,7 1,9 6,3 3,9 1,6 0,5 ­ ­ 620 ­ 0,7 1,5 3,2 2,4 1,5 0,3 ­ 0,0 850 ­ 0,3 1,3 3,8 4,6 2,7 1,6 1,2 0,1 1100 ­ 0,3 0,7 1,8 1,6 1,7 1,5 0,9 0,1 1500 ­ 0,0 0,4 1,3 1,6 1,9 0,9 0,7 0,0 Vzhledem k tomu, ze rozdíly mezi hodnotami namenými v toku a hodnotami vypoctenými podle rov. (1) jsou pijatelné, mze být tato rovnice s uvedenými konstantami pouzita pro predikci hydrodynamické mísící zóny pod COV Hradec Králové i za jiných prtokových stav v pípad, ze bude docházet k pozitivnímu nadlehcování vypoustných odpadních vod v recipientu. Z hlediska dopadu vypoustní na zivotní prostedí to umozní vyhledání nejnepíznivjsích mozných kombinací. 5. Závr Výsledky mení konduktivity v prostoru mísící zóny v Labi pod COV Hradec Králové naznacují, ze se jedná o pomalé mísení citlivé na teplotní zmny. Jako podklad pro vymezení regulacní mísící zóny je dlezitjsí první pípad z dubna 2007, ve kterém byly vypoustné odpadní vody v recipientu pozitivn nadlehcovány a vlecka znecistní mla tendenci se drzet pi hladin, protoze byl mením 132 zjistn vtsí rozsah mísící zóny nez v pípad druhém z cervence 2007. Vtsí rozsah mísící zóny mze mít totiz mén píznivý vliv z hlediska dopadu na zivotní prostedí. Oproti skutecnému stavu modelová interpretace situaci znacn zjednodusuje, takze musí být brána s urcitou rezervou. Napíklad u koeficientu y se uvádí rozmezí hodnot od 0,3 do 1,0 (US EPA, 1991), kde nizsí hodnota platí pro pomalé mísení a vyssí hodnota pro rychlé mísení. V nasem pípad vysla hodnota nizsí nez uvedené rozmezí. Nízké hodnoty koeficientu ukazují na pomalé mísení. Pro interpretaci chování vlecky znecistní pi negativním nadlehcování (jaké bylo podchyceno napíklad mením v toku v cervenci 2007) by bylo nutno pouzít slozitjsích modelovacích prostedk. Jak uz bylo eceno v úvodu, k objektivnímu vymezení regulacní zóny pilehlé k místu vypoustní z významného bodového zdroje znecistní je potebná velmi dobrá znalost skutecné konkrétní hydraulické mísící zóny. K tomu v mnoha pípadech nestací pouhé numerické modelování, ale je nutno mit pímo v terénu a teprve na základ numerické interpretace výsledk je mozno uskutecovat predikci pro rzné pedpokládané nejnepíznivjsí situace pomocí modelování ­ napíklad pro vypoustní pi nízkých prtocích blízkých Q355. Podkování. Clánek vznikl díky financní podpoe vnované Ministerstvem zivotního prostedí Ceské republiky výzkumnému zámru MZP 0002071101 ,,Výzkum a ochrana hydrosféry". Autor by touto cestou chtl také podkovat Královopolské provozní a.s. za poskytnutí informací o vypoustném mnozství z COV Hradec Králové, Povodí Labe, s.p. za poskytnutí údaj o koryt Labe v úseku pod cistírnou a v neposlední ad vedoucímu výzkumného zámru ing. Tomási Micaníkovi za poskytnutí údaj výsledk mení konduktivity a také ing. Jiímu Kucerovi, který mení zabezpecoval. Seznam symbol U h B Ey Us x y x´ y´ y0 y0´ Qr Cr C LITERATURA DIRECTIVE 2008/105/EC of the European Parliament and of the Council of 16 December 2008 on environmental quality standards in the field of water policy. DONEKER R.L., JIRKA G.H., HINTON S.W., 2007: A Hydrodynamic Mixing Zone Model and Decision Support System for Pollutant Discharges into Surface Waters. Cormix User Manual, 213 pp., Office of Science and Technology, U.S. Enrironmental Protection Agency, Washington DC 20460. FISCHER H.B., LIST E.J., KOH R.C.Y., IMBERGER J., DROOKS N.H., 1979: Mixing in Inland and Coastal Waters, Academic Press, Inc., New York, xiv + 483 p. HELPDESK WATER IMMISSIE TOETS, Online, cit. 9. 2. 2009: [http://www.helpdeskwater.nl/emissiebeheer/industrieel/ afvalwater/beoordelen_emissies/emissie-immissie/ ciw_immissie_toets_versie_1.2.xls]. MATTAS D, Online, cit. 14. 5. 2010: [http://hydraulika.fsv.cvut.cz/Predmety/HEMM/skripta/ MONIT.DOC]. MICANÍK T., KUCERA J., SÝKORA F., BELDA J., SAJER J., 2008: Problematika stanovení mísicí zóny v kontextu návrhu smrnice ES o normách environmentální kvality a o zmn smrnice 2000/60/ES, VTEI ­ Vodohospodáské technicko-ekonomické informace, 50, 1, 1­3. ÍHA J., 2008: Bilancní model jakosti vody v síti vodních tok. Vodní hospodáství, 58, 6, 188­194. US-EPA, 1991: Technical support document for water quality based toxics control. WFD (Water Framework Directive), 2000, Official Publication of the European Community, L327, Brussels. Doslo 4. augusta 2009 Prijaté 10. marca 2010 ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ = ­ ­ ­ ­ Qe Ce C0 n R g p xef ­ xs ­ Q355 ­ prmrná rychlost v recipientu [m s-1], prmrná hloubka v sledovaném úseku recipientu [m], prmrná síka v sledovaném úseku recipientu [m], soucinitel pícné horizontální disperze, který mze být vyjáden jako Ey = y *h*Us [m2 s-1], tecí rychlost [m s-1], podélná vzdálenost od vypoustní k zájmovému bodu v recipientu [m], pícná vzdálenost bodu zájmu od behu [m], bezrozmrný soucinitel, který mze být vyjáden jako x´ = x*Ey/(U*B2), bezrozmrný soucinitel, který mze být vyjáden jako y´ = y/B, pícná vzdálenost bodu vypoustní od behu [m], bezrozmrný soucinitel, který mze být vyjáden jako y0´ = y/B, prtok v recipientu [m3 s-1], aktuální pozaová koncentrace v recipientu [%], maximální koncentrace píslusející souadnicím x, y [%], bezrozmrný koeficient závislý na typu a stupni nepravidelnosti pícného profilu koryta recipientu, vypoustné mnozství [m3 s-1], vypoustná koncentrace [ %], (Ce ­ Cr)*Qe/(U*B*h) [%], soucinitel drsnosti [­], hydraulický polomr v sledovaném úseku [m], gravitacní zrychlení [m s-2], Pavlovského exponent (p = 2,5.n0,5­ 0,13 ­ 0,75.R0,5. (n0,5­ 0,1), efektivní vzdálenost [m], rozdíl mezi efektivní a skutecnou vzdáleností [m], prtok, který je dodrzen nebo pekrocen po 355 dní v roce [m3 s-1]. MODEL INTERPRETATION OF RESULTS OF MEASUREMENT MIXING ZONE IN THE ELBE RIVER DOWNSTREAM FROM THE WWTP HRADEC KRÁLOVÉ Jií Sajer In accordance with the Directive 2008/105/EC Member States may designate regulatory mixing zones adjacent to points of discharge. Concentrations of one or more substances listed in Part A of Annex 1 of this Directive may exceed the relevant EQS within such mixing zones if they do not affect the compliance of the rest of the body of surface water with those standards. As a basis for designating regulatory mixing zone adjacent to an existing point source is the best knowing of the really hydrodynamic mixing zone very important. That's the reason, why conductivity in the River Elbe dowstream waste water treatment plant (WWTP) Hradec Králové was measured. WWTP Hradec Králové is located on the left shore of the Elbe River and belong between one of the biggest Czech Republic´s WWTP of a size in excess of 100 000 PE. Using a boat, point measurements were taken at distances described in Tab. 1. The study reach downstream of the WWTP Hradec Králové was approximately 1500 m long. The longitudinal profile of the Elbe River is shown in Fig. 6. First measurements were in April 2007. Second measurements were in July 2007. Ambient flowrate and discharge flowrate in April were about the same as ambient flowrate and discharge flowrate in July. In April were discharge temperature 21.1°C and ambient temperature 19.4°C. In July were discharge temperature 11.6°C and ambient temperature 14.2°C. The effluent was positively buoyant in the first case and negatively buyoant in the second case. The first case was more important for this study because of larger hydrodynamic mixing zone. Results of conductivity field measurements are listed in Tab. 1. They are expressed as an excess concentration above the ambient background concentration. It was most convenient to specify Ce ­ Cr = 100%. Simple linear regression was used to specify a non-dimensional coefficient y needed for model interpretation at first. Ey is the factor which determines the slope of the regression line in Fig. 3. The intercept of this regression line can be expressed as Ey*xs. Value xs > show slow mixing and sensitivity to temperature differences. In the second case was effluent negatively buyoant and tend to fall towards the bottom. For numerical interpretation of this case we need to use any compexifier mixing zone model. List of symbols Qr U h B Ey Us C Cr y Qe Ce x x´ y y´ y0 y0´ C0 Q355 n R g p xef xs ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ = ­ = ­ = = ­ ­ ­ ­ ­ ­ the ambient flowrate [m3 s-1], the ambient velocity[m s-1], the river depth [m], the river widh [m], the horizontal diffusivity expressed as Ey = y *h*Us [m2 s-1], the shear velocity [m s-1], the concentration at point of interest [%], is the actual ambient background concentration [%], a non-dimensional coefficient depending on the type and degree of irregularity of the channel cross-sections, the discharge flowrate [m3 s-1], the discharge conductivity [%], the distance downstream to point of interest [m], x*Ey/(U*B2) [­], the distance from nearest shoreline to point of interest [m], y/B [­], the discharge distance from nearest shoreline [m], y/B [­], (Ce ­ Cr)*Qe/(U*B*h) [%], ­ the drought flow equaled or exceeded 355 days per year [m3 s-1], the non-dimensional Manning's roughness coefficient, the hydraulic radius [m], the gravity acceleration constant [9.81 m s-2], the Pavlovskij`s exponent (p = 2.5.n0,5 ­ 0.13 ­ 0.75. R0,5.(n0,5 ­ 0.1), the effective distance [m], the differece between effektive and real distance [m]. 0 shows on initial jet mixing. In our case was xs neglecting. The region after complete vertical mixing (farfield) was of interest in this study. Numerical interpretation by means of Eq. (1) for the centerline, comparison with field data and comparison with Netherlands immission test are shown in Fig. 4. Results of numerical interpretation by means of Eq. (1) adaptet for excess concentration at point of interest above the ambient background concentration are in Tab. 2. Differences between numerical results and field data are in Tab. 3. Comparison of the numerical results with field measurements shows that both methods are useable for prediction of the hydrodynamic mixing zone adjacent to WWTP Hradec Králové in case when the effluent is positively buoyant. Results

Journal

Journal of Hydrology and Hydromechanicsde Gruyter

Published: Jun 1, 2010

There are no references for this article.