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 Dmax и время tmax, когда будет наблюдаться наибольший дефицит кислорода в воде. Методы анализа функций позволяют определить Dmax
(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.
