Исследование содержания кислорода в природном водоеме с применением модели Стриттера-Фепса

Лабораторная работа № 4.2

Качество воды в водоеме во многом зависит от концентрации кислорода в этой воде. Концентрация кислорода в водоеме определяется следующими процессами:

1) поступлением кислорода из атмосферы при его растворении в воде. Количество растворенного воздуха зависит от атмосферного давления и температуры воды. Количество кислорода, которое может быть растворено в воде, растет при повышении давления и снижении температуры.

2) потерями кислорода в результате его потребления на процесс окисления органических веществ, которые могут иметь естественное происхождение или поступать в водоем в виде загрязнений (см. рис. 1).

 

Рис.1. Процессы, влияющие на содержание кислорода в воде водоема.

 

Так как атмосферное давление, температура воды и концентрация загрязняющих веществ все время может меняться, то и концентрация кислорода тоже будет меняться. Например, при сбросе некоторого количества загрязнений в водоем, установившаяся (С₀) для определенных значений атмосферного давления и температуры воды концентрация кислорода (линия 1 на рис. 2), начнет уменьшаться, так как некоторое количество кислорода, растворенного в воде водоема, будет потреблено на окисление поступивших в водоем загрязнений. А затем концентрация кислорода может принять некоторое равновесное значение (линии 2 и 3). Характер изменения концентрации кислорода в основном будет определяться характером поступления загрязнений в водоем. При отсутствии поступления загрязнений изменение концентрации кислорода будет отражаться линией 1.Одномоментному сбросу загрязнений будут соответствовать линии 4 или 5. И при постоянном поступлении загрязнений в водоем характер изменения концентрации кислорода в водоеме будет соответствовать линиям 4-5.

 

Рис. 2. Изменение концентрации кислорода, растворенного в воде водоема.

 

Величина равновесной концентрации кислорода будет зависеть от количества поступающих в водоем загрязнений и количества кислорода, который поступает в воду водоема из атмосферы. При некотором умеренном поступлении загрязнений, когда не весь кислород будет потреблен на окисление загрязнений, установившееся значение его концентрации будет равно С₄. В случае, когда весь кислород будет расходоваться на окисление загрязнений, его концентрация будет равна нулю (линия 5).

Экологическое состояние водоема можно характеризовать параметром, который называется дефицит D кислорода и рассчитывается как разность между максимально возможной концентрацией кислорода С₀ и фактическим значением концентрации кислорода С в воде водоема

Математическое описание процессов изменения концентрации кислорода в воде водоема возможно с помощью модели Стритера-Фелпса

 

(1)

, где

 

L – значение БПК, которое отражает потребление кислорода на окисление загрязнений, мг/л;

С₀ – концентрация кислорода, который может быть растворен в чистой воде при определенных значениях атмосферного давления и температуры воды, мг/л;

С – концентрация кислорода в воде с учетом его поступления из атмосферного воздуха и потребления на окисление загрязнений, мг/л;

D=C₀ –С – дефицит кислорода в воде вследствие загрязнения, мг/л;

k₁ – константа реакции окисления загрязнений кислородом, 1/сут;

k₂ – константа процесса растворения кислорода в воде, 1/сут.

Решением уравнения (1) будет выражение, которое позволяет определить изменение дефицита кислорода во времени

 

(2)

 

где L₀ – значение БПК в начальный момент времени, мг/л; D₀ – значение дефицита кислорода в начальный момент времени, мг/л.

Зависимость (2) позволяет также определить максимальное значение дефицита кислорода D_max и время t_max, когда будет наблюдаться наибольший дефицит кислорода в воде. Методы анализа функций позволяют определить D_max

(3)

 

(4)

где

и (5)

Если сброс загрязнений происходит в водотоке, то по формуле (6) можно рассчитать расстояние от места сброса вниз по течению, на котором будет наблюдаться наибольший дефицит кислорода

. (6)

Расчет процесса изменения концентрации кислорода в воде водоема позволяет получить полезную информацию, которая может быть использована, например, при организации водоотведения очищенной сточной воды в водоем.