Раздел 3. Водная среда города 133

О бычно величина коэффициента реаэрации лежит в диапазоне от 0,1 до 2,0 1/сут. Зависимость величины коэффициента реаэрации от температуры учитывается по формуле:

к₂(Т) = к₂(20) -1,024^х-²⁰.

Величина коэффициента неконсервативности для БПК может меняться в диапазоне от 0,05 до 0,7 1/сут. Для природных вод она обычно принимается равной 0,23 1/сут.

Прогноз величины БПК и содержания растворенного кислорода в по­верхностных водах, как правило, производится на основе математической модели Стриттера-Фелпса. Эта модель справедлива при следующих огра­ничениях:

• расход и гидравлические характеристики потока постоянны;

• в водоеме соблюдается режим полного перемешивания.

В общем случае система уравнений Стриттера-Фелпса для турбулентного потока записывается в виде:

d x -•-'• ^E~dx^T ~ ^V ~d~x ~^k2'^D+kr^L~^r=0>

где E — коэффициент продольной дисперсии, м²/с; L — величина БПК, гО₂/м³; D — величина дефицита кислорода, г/м³; к_{ и к₂ — величины коэффи­циента неконсервативности для БПК и коэффициента реаэрации соответ­ственно, 1/с; fur— интенсивность внешнего поступления органических веществ в единицах БПК и растворенного кислорода соответственно, г/м³ • с.

Под дефицитом кислорода понимается разность между величиной кон­центрации насыщения C_s и концентрацией растворенного кислорода S. Решением этого уравнения при граничных условиях L(0)=L₀ и D(0)=D₀

ЯВЛЯеТСЯ -'...'Л ■ '"'■■■ ;■

1 = L_Q-exp{y_x-x) + дг(1 - expiy^x)); ,',/ ' .

■ ■■- к

Z)= D₀-exp(y₂-x) + yz^-r-L^iexpiK-x) -ехр(у₂-х)) + ■ • ,

2 1 ■;•.■•

' ' f-_r ( к^-ехріу-х)- k_rexp(y₂-x)\

_..''.;. ⁺_~^гЛ ^к_{г-к У}

134 Экология города

А нализ решения при х—»<*> показывает, что при отсутствии аллохтонного поступления органических веществ в водном объекте дефицит кислорода стремится к нулю. Это означает, что в результате процесса самоочищения содержание кислорода в воде выходит на уровень насыщения. Если в водный объект поступают органические вещества, например, с поверхностным сто­ком с прилегающей территории, то дефицит кислорода отличен от нуля и стремится к величине f/k_r Содержание растворенного кислорода при этом устанавливается на уровне S=C—f/k₂. При большом поступлении органичес­ких веществ (если / > С," k₂) растворенный кислород полностью расходуется на биохимическое окисление органических веществ и содержание его в вод­ном объекте приближается к нулю.

Многокомпонентные модели качества воды используют для прогноза со­держания в водоемах и водотоках веществ, связанных между собой процесса­ми взаимной трансформации. Особенно важно учитывать взаимную транс­формацию веществ в водной среде в случаях, когда в процессе трансформа­ции в водной среде образуются новые нормируемые вещества, то есть происходит вторичное загрязнение водного объекта. Явление взаимной транс­формации веществ достаточно характерно для процессов самоочищения вод­ных объектов. В частности, в основе кругооборота азота, фосфора, углерода лежат процессы взаимной трансформации веществ, и с этим явлением тесно связан процесс эвтрофирования водных объектов.

Прогноз содержания азотсодержащих веществ. Одним из основных цик­лов взаимной трансформации веществ в водном объекте является кругообо­рот азота — одного из главных биогенных элементов. В основе трансформации соединений азота в водной среде лежит процесс нитрификации. Нитрифика­ция представляет собой процесс окисления минеральных форм азота и осуще­ствляется в две стадии. На первой стадии в результате жизнедеятельности нитрифицирующих бактерий рода Nitrosomonas происходит окисление ам­монийных форм азота до нитритных:

NH₄⁺ + ОН- + 1,5 • О₂ -» Н⁺ + NO" + 2 • Н₂0.

На второй стадии нитрифицирующие бактерии рода Nitrobacter окисля­ют нитритные формы азота до нитратных:

N0₂"+ 0,5 • О₂ -» NO" •

Краткосрочный прогноз (до 4 суток) содержания в водном объекте мине­ральных форм азота с учетом процесса нитрификации в условиях турбулент­ного потока производится на основе математической модели Харлемана. Эта модель имеет вид:

dx² dx

-k₂-N₂ = 0, N₂(0) = N_2Q;