РОЗДІЛ 2 МАТЕМАТИЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ ПРОЦЕСІВ ФОРМУВАННЯ ЯКОСТІ ПОВЕРХНЕВОГО СТОКУ
НА ПЛОЩІ ВОДОЗБОРУ
Характер водозбірної території (природний ландшафт, тваринницькі комплекси,
урбанізовані території, кар’єри тощо) має визначальний вплив на
хіміко-біологічний склад поверхневого стоку. Так поверхневий стік, що
формується в умовах ландшафту, природного (цілинні, лісові угіддя) або мало
зміненого діяльністю людини (орні землі) містить переважно зависі ерозійного
характеру внаслідок змиву верхніх шарів гранту та продукти хімічних засобів
захисту, добрив. Поверхневий стік тваринницьких комплексів, відстійників,
пасовищ характеризуються підвищеним вмістом завислих речовин (2-3 г/л),
загального азоту (500-800 мг/л), амонійного азоту (600-2500 мг/л), фосфору
(350-900 мг/л), калію (400-850 мг/л), органічних сполук (БПК 1000-1500 мг/л).
Стоки з міських територій (за даними МосводоканалаНІІпроекта [75]) мають
наступні показники: хімічна потреба кисню (ХПК) 200-1500 мг/л, БПК(повне) –
100-300 мг/л, амонійний азот – 5-15 мг/л, загальний азот – 15-40 мг/л,
ефіророзчинні речовини – 100- 600 мг/л, до того ж зависі складають від 3 до 5
г/л. , а завислі речовини з промислових територій складають 4,5-7 г/л. З
підприємств гірничої промисловості США скидається щороку 7,6 млн. м3 стічних
вод [41], річка Детройт щодоби скидає в озеро Ері 7,5 млн. м3 рідких відходів,
до річки Рейн (Франція) щодоби надходять скиди з калійних шахт Ельзаса в
кількості 16-20 тис. т NaCl [41]. В США майже 10 тис. км3 природних водотоків і
близько 12 тис. га водної поверхні забруднені стічними водами кислого і лужного
складу, що надходять з вугільних розрізів. Навіть на значних відстанях від
місць скиду спостерігається висока кислотність води (pH=2) [65]. Таким чином
виникає задача оцінки впливу джерел забруднення, розташованих на площі
водозбору, трансформації забруднюючих речовин при транспортуванні водотоками та
вироблення пропозицій щодо керування якістю води, яка включається в природний
кругообіг після використання людиною. Така комплексна оцінка взаємовпливу
забруднюючих факторів, кількісна оцінка показників якості поверхневого стоку з
врахуванням процесів розбавлення та деструкції здійснюється за допомогою
математичного та імітаційного моделювання. Дослідження, результати яких
представлені в даному підрозділі, мають на меті удосконалити методику оцінки
впливу структури площі водозбору на кисневий режим водовідвідної системи.
2.1. Математичні моделі динаміки консервативних і неконсервативних речовин у
водотоках
Розглянемо принципи побудови математичної моделі [17, 31, 32, 34], яка
використовується в представлених дослідженнях. Загальна мережа водних об’єктів
площі водозбору схематично зображається у вигляді орієнтованого графа у формі
дерева, гілки якого проходять через різноманітні джерела забруднення. Тому
вершини такого графа доцільно сумістити з основними джерелами забруднення і
визначити шлях, по якому стічні води потрапляють в основну водойму (рис. 2.1).
Значення концентрації різних забруднень визначається в точках, що розміщені на
перетині відрізків, тобто у вершинах графа, які суміщені з джерелами
забруднень. На рисунку 2.1 зображені два дерева, що схематично відображають
мережу міських стоків у двох мікрорайонах. Щоб регулювати режим надходження
стоків в основну ріку, як уже зазначалось, потрібно створити певні ємності –
басейни стічних вод, в яких будуть відбуватися процеси самоочищення різних
стоків. На рисунку 2.1 такі ємності позначені трикутниками. Басейни стічних вод
можуть утримувати певний час стоки, швидкість течії яких може регулюватись. Цим
самим і з’являється можливість побудови математичних моделей (системи
математичних моделей), які описують основні процеси самоочищення, що
відбуваються тепер уже в зарегульованій мережі поверхневого водовідведення з
басейнами, що розміщені на урбанізованій території.
Зокрема, математичні моделі описують процеси змішування різних стоків у
вершинах графа, процеси самоочищення стоків у створених басейнах (ємностях),
процеси седиментації нерозчинених забруднень, процеси трансформації та час
добігання забруднень до основного водоймища. За допомогою математичного
моделювання визначаються оптимальні параметри басейнів самоочищення та режим їх
роботи, а також оптимальний режим всієї мережі водотоків, що знаходяться на
урбанізованій території.
Схематично мережу водотоків, яка регулює режим надходження стоків в основну
ріку, зобразимо у вигляді орієнтованого графа, що має форму дерева, гілки якого
проходять через різноманітні джерела забруднень (рис. 2.1).
Рис.2.1. Загальна схема мережі водотоків:
1 – джерела забруднення;
2 – басейни самоочищення;
3 – канали довжиною .
Слід зазначити, що параметрами управління системою поверхневого стоку є
наступні величини: кількість (витрата) стічних вод з концентрацією забруднюючої
речовини в них ; час перебування в басейні самоочищення , об’єм басейна
самоочищення ; швидкість руху в притоці або каналі . Кожний з елементів
водовідвідної системи характеризується набором параметрів, які враховують
процеси водообміну, розбавлення та трансформації речовин. У водотоках ці
процеси протікають з іншими швидкостями, що відображається в різних значеннях
відповідних параметрів [60].
На основі співвідношення (1.6) побудовано рівняння динаміки РК та БПК у басейні
самоочищення
(2.1)
де і позначено відповідно масу органічної речовини і масу РК, причому, маса
органічної речовини, що поступає з джерел забруднення (побутові і промислові
стоки), вимірюється кількістю кисню, необхідної для дихання
- Киев+380960830922