Моделирование загрязнения водной среды органическими отходами

Используемые для характеристики загрязнения водной среды и почв модели, применяемые для практических расчетов, довольно сложны. В целом распространение примесей в водной среде можно описать теми же уравнениями гидрогазодинамики (уравнение турбулентной диффузии), что и для атмосферы. Однако для конкретных водных объектов появляются многочисленные факторы, которые значительно усложняют расчет (например, течение, характеристики русла и др.). Важнейший момент — учет взаимодействия сбрасываемых примесей с «принимающей» их водой водного объекта. Так, органические вещества естественного и антропогенного происхождения подвергаются в воде окислению за счет присутствия растворенного в воде кислорода. Потребители органического вещества — бактерии и другие гидробионты — также используют кислород для своих процессов жизнедеятельности. Таким образом, необходимо моделировать взаимосвязь концентрации кислорода и отходов в воде.

Учитывая, что разложение органики потребует использования части растворенного кислорода, концентрацию отходов часто определяют в специальных единицах измерения — биохимическое потребление кислорода (ВПК). Эта величина равна отношению количества кислорода, необходимого для разложения отходов, к объему воды (мг/л). Скорость разложения отходов пропорциональна их концентрации L, если присутствует достаточно кислорода^[1]:

где k_{ — постоянная отбора кислорода, ед/день.

Если с₀ — концентрация кислорода при отсутствии отходов (известная функция от температуры воды), то при поступлении отходов концентрация кислорода с будет меньше с₀. Введем разность этих величин D = = с₀ — с, которая будет характеризовать недостаток или дефицит кислорода в водной среде в связи с поступлением в нее органических отходов. Величина D может увеличиваться со временем вследствие поступления (и окисления) отходов и уменьшаться вследствие поглощения кислорода поверхностными слоями воды (этот процесс называется реаэрацией), т. е.

где k^L — характеристика процесса окисления отходов, k>D — реаэрации, &₂ — постоянная реаэрации (день^-1).

Таким образом, получается система из двух уравнений, предложенная впервые Стритом и Фелпсом:

Решение этих уравнений дает

где 1(0) и D (0) — начальные значения при t = 0.

Важный практический вопрос заключается в следующем: какое максимальное обеднение воды кислородом может наблюдаться в данном месте реки или водоема в результате сброса в них органических отходов? Дело в том, что если концентрация кислорода падает ниже некоторого критического уровня, начинают гибнуть организмы (рыбы, ракообразные и др.), обитающие в водной среде. Таким образом, может инициироваться цепочка событий, которая способна привести к необратимым последствиям гибели нормальной экологической жизнедеятельности водоема. Максимальный дефицит кислорода Z)_max можно определить, приравнивая к нулю производную D) = 0. Отсюда получим.

где L (0) и D (0) — начальные значения концентрации отходов и дефицита кислорода.

Время t связано с расстоянием х от места сброса. Если V — скорость течения реки, тогда х = Vt. В этом случае D (0) — начальное понижение концентрации, обусловленное наличием заводов в верхнем течении реки.

Таким образом, необходимо, чтобы удовлетворялся экологический стандарт или экологический критерий безопасности жизнедеятельности водных организмов:

Модель позволяет оптимизировать режимы сброса предприятиями органических отходов в водоемы.

• [1] Мониторинг и методы контроля окружающей среды: учеб, пособие: в 2 ч. / Ю. А. Афанасьев [и др.].