1.2. Гидравлика

Способность реки и притоков принимать сточные воды  оцениваем по обеспечению остатка сточных вод. Такая оценка пригодна в привязке к месту внедрения струи или способу внедрения. Например, большую реку Чулым оцениваем маловодным водоприёмником для воды Назаровской ГЭС и многоводным --- для сточных вод г. Назарово. Для прибрежного внедрения водоприёмник может оказаться маловодным, а для внедрения тех же сточных вод под уровень --- достаточным.

 Гидравлическая тень.
В маловодном водоприёмнике образуется гидравлическая тень, наличие которой делает неверным применение любых методов расчёта распространения вещества в реке.
Явление тени показано на рис. 1.1, представляющем собой схему  состояния поля распределения концентрации вещества в акватории, и в табл. 1.1. Каждая клетка поля --- это место для помещения значения концентрации вещества при нулевом значении фона.

Рис. 1.1. Гидравлическая тень в реке после прибрежного выпуска сточных вод показана стрелками. А --- ряд предельного остатка струи сточных вод

В таблице показаны остатки, взятые из расчета для рисунка и из прил. 1 (свободный водоток). В определяющей струе на 7-м ряду нет гидравлической тени. Тень накрывает определяющую струю на 8-м ряду.

Граница использования формулы остатка.
Строка <<Отношение>> в табл. 1.1 показывает, что в первых семи рядах нет никакого различия в остатках. Далее девятого ряда результаты вычисления концентрации в гидравлической тени по  формулам любых авторов будут неверными.  Гидравлическая тень завершается равномерным распределением концентраций вещества в реке. Это единственный совпадающий результат расчётов разными методами.

После 9-го ряда появятся отношения, которые могут оказаться неограниченно большими, что не имеет смысла. Поэтому для формулы  (1.3) введено ограничение: расчётное значение μ не должно быть меньше предельного остатка μ_п, вычисленного по формуле

Расстояние, на котором начинается действие ограничения[1], вычисляем по формуле

Расчет по формуле (1.6) для схемы рис. 1.1 определяет начало выравнивания концентраций в струях 11-м шагом. Вместо значения μ_z= 0,2416 рекомендуем принять значение μ_п = 0,25, что на 4,4 \% больше. Сравнение со значением в области тени не корректно, так как область тени создает завышенные значения остатка. В расчётном створе будет предельный остаток. Строка <<Рекомендовано>> иллюстрирует надежный выбор.

Трёхмерное изображение результатов расчета рассмотренного процесса объединения расходов струй дано на рис. 1.2. Процессы, происходящие в гидравлической тени, остаются неизученными.  

Рис. 1.2. Результаты расчетов завершённого объединения струй
 
В большой реке скорости течения в струях уменьшаются от наибольшего значения в глубокой части русла до нуля у берега. Удельная кинетическая энергия струй образует склоны её к берегам.  Если кинетическая энергия внедрённой струи сравняется с энергией склона, то передача расхода воды из неё прекратится. Между берегом и границей прекращения передачи возникнет гидравлическая тень, и завершится процесс объединения струй. В больших реках не происходит полного смешения струи со всей речной водой, так как процесс завершится возникновением прибрежного пакета струй с одинаковыми гидрохимическими характеристиками. Пакет будет существовать как одна струя. Теперь он станет размывать прилегающую к нему фоновую струю. Процесс объединения меняет знак:

Подобное явление происходит на всех реках в начале половодья, когда увеличиваются как уровень воды в реке, так и скорость течения. Следовательно, начало половодья и период дождевого паводка, когда возрастает крутизна ската энергии, являются наименее благоприятными для приёма сточных вод.
 
1.2.1. Малый и достаточный водоприёмники
 
Понятие гидравлической тени позволило сформулировать правило: для выпуска сточных вод река считается малым водоприёмником, если гидравлическая тень возникает выше контрольного створа. На графике (рис. 1.3) показаны условия для границы, отделяющей маловодные условия от достаточных. Кривая построена для створа, удалённого
 В реках достаточной водности удаётся увеличить темп объединения водотоков за счёт конструкции водовыпуска.
 При недостаточной водности любая конструкция водовыпуска в пределе даст одинаковый результат. Эффект работы конструкции тоже ограничен предельным остатком расхода сточных вод в струе.

от выпуска сточных вод на 500 м.

Рис. 1.3. Граница между малыми (закрашено) и достаточными водоприёмниками для створа, расположенного на удалении 500 м}
Для предварительных расчётов предлагаем  формулу приближённого определения расстояния Х до створа завершения процесса объединения.

где k - коэффициент ширины воздействия, k=0,2 - для главной реки; k = 0,3 - для большой реки;  k = 0,5 - для средней реки;  k = 1 - для малой реки, ручья; B - ширина водотока, м; l - контур внедрения струи, м. Так как в формулу входит контур внедрения, то река, маловодная для некоторого устройства, может быть достаточной для устройства с меньшим контуром внедрения.
Если  Х не больше расстояния до контрольного створа L, то водоприёмник малый, а струя велика для него.
 
1.2.2. Расчётный расход воды в реке
 
При любом расходе речной воды расход определяющей струи будет одинаковым, равным расходу внедрённой струи. Расход речной воды не привлекается к расчёту струи. Струя сточных вод связана с расходом воды в реке по признаку неухудшения качества воды в определяющей струе.
Для малого водоприёмника критическим периодом является минимальный расход 95 %-ной обеспеченности. Это объясняется тем, что гидравлическая тень тем ближе к выпуску сточных вод, чем меньше расход воды в водоприёмнике.  Поэтому процесс объединения завершается до достижения расчётного створа и коэффициент остатка равен предельному значению, зависящему только от соотношения расходов воды в определяющей струе.

Для большого водоприёмника минимальный расход остаётся достаточным. Худшие условия возникают при максимальном расходе притока, когда выпуск находится под уровнем воды. Обычно струя сточных вод направляется к реке по трубе или лотку, которые имеют фиксированную ширину, но работает не полным сечением. В паводок, после затопления выпуска, сечение заполнится и скорость движения жидкости упадёт.  Произойдёт истечение сточных вод под уровень. Сточные воды приобретут не только минимальную скорость течения, но и увеличенный контур внедрения, следовательно, уменьшится удельная энергия струи. Уменьшатся потери энергии, что приведёт к росту шага процесса. В контрольном створе увеличится доля остатка внедрённой струи, усилится воздействие сточных вод.

В качестве расчётного расхода воды в реке рекомендуем принимать расход, при котором возникает бόльший шаг процесса объединения водотоков. При разнообразии имеющихся выпусков сточных вод расчётный расход воды для реки во всех створах выбирается по условиям самого неблагоприятно расположенного выпуска.