Критичний екологічний стан річки Південний Буг, спричинений інтенсивним забрудненням нітрогеновмісними сполуками, вимагає впровадження надійних математичних інструментів прогнозування для подолання наслідків евтрофікації та досягнення цілей державних стратегій управління водними ресурсами. Метою дослідження було математичне моделювання процесів транспорту та трансформації нітрогеновмісних сполук у річковій системі Південного Бугу для кількісної оцінки просторово-часової динаміки забруднення та наукового обґрунтування природоохоронних заходів. Для математичного моделювання застосовано систему диференційних рівнянь на базі одно- та двовимірних моделей адвекції-дисперсії-реакції, чисельний розв’язок яких здійснено методом розщеплення операторів. Розроблена модель поєднала три ключові компоненти нітрогену та врахувала механізми адвекції, дисперсії та біохімічних перетворень. Модель детально описала процеси нітрифікації та денітрифікації з урахуванням температури та концентрації розчиненого кисню за кінетикою Міхаеліса-Ментен. Моделювання було проведено на прикладі оцінювання впливу забруднення амонійним азотом на прикладі скидів комунальних очисних споруд у верхній течії. Результати верифікації продемонстрували здатність моделі відтворювати просторове зниження рівня забруднювачів завдяки природним процесам самоочищення. Модель зафіксувала утворення «нітритного піку», який просторово зсунутий вниз за течією відносно максимальних концентрацій амонію. Високі рівні токсичних нітритів залишаються стійкими на відстані до 15 км від джерела забруднення. Сценарний аналіз засвідчив, що негайне впровадження третинної очистки на найбільш впливових об’єктах є пріоритетним заходом для відновлення кисневого режиму річки. При зменшенні водності річки на 40 % від норми межені очікується катастрофічне зростання концентрацій нітрогеновмісних сполук та виснаження кисню на значних ділянках русла, якщо поточні обсяги скидів залишаться незмінними. Розроблена модель є інструментальною базою для оптимізації управлінських рішень у межах Плану управління річковим басейном Південного Бугу та дозволила створити повноцінну систему екологічного моніторингу для забезпечення сталого розвитку регіону