VRSTE MODELOV, KI SE UPORABLJAJO ZA PREUČEVANJE KAKOVOSTI VODE - OKOLJE - 2025

Modeli kakovosti vode so matematične formulacije, ki simulirajo obnašanje in učinke onesnaževal v vodi. V tem smislu so predstavljeni možni scenariji vpliva onesnaževal z uporabo različnih formul, ki izhajajo iz določenih parametrov in spremenljivk.

Glede na vir onesnaženja in vodno telo, ki ga je treba oceniti, obstajajo različni modeli kakovosti vode. Ti modeli so sestavljeni iz računalniških programov, ki temeljijo na matematičnih algoritmih.

Vrednotenje kakovosti vode. Vir: CSIRO

Modeli vključujejo podatke o polju iz različnih spremenljivk in faktorjev ter določene vhodne pogoje. Iz teh podatkov modeli ustvarijo možne scenarije in ekstrapolirajo podatke v času in prostoru na podlagi verjetnosti.

Najbolj informativen parameter za oceno onesnaženosti vodnega telesa je biokemična potreba po kisiku (BPK). Večina modelov vključuje oceno variacije BPK kot merilo za ustvarjanje njihovih scenarijev.

Vlade so vzpostavile predpise o kakovosti vode, ki jih je treba upoštevati, da bi pridobile dovoljenja za izvajanje dejavnosti, ki bi lahko onesnaževale. V tem smislu so modeli koristno orodje za razumevanje možnega vpliva na kakovost vode določene dejavnosti.

Matematični temelj

Modeli, ki se uporabljajo za napovedovanje obnašanja kakovosti vode, temeljijo na diferencialnih enačbah. Te enačbe povezujejo količino spremembe ene funkcije z velikostjo spremembe v drugi.

Pri modelih kakovosti vode se uporabljajo nelinearne diferencialne enačbe, saj so procesi onesnaževanja vode zapleteni (ne ustrezajo linearnemu razmerju vzrokov in posledic).

Parametri

Pri uporabi določenega modela je treba upoštevati vrsto parametrov.

Na splošno so ocenjeni prisotni osnovni parametri, kot so biološko povpraševanje po kisiku (BPK), povpraševanje po kisikovem kisiku (COD), dušik in fosfor.

BPK je eden najpomembnejših kazalcev kontaminacije, saj visoke vrednosti kažejo na veliko število mikroorganizmov. COD navaja količino kisika, ki je potrebna za oksidacijo organskih snovi s kemičnimi sredstvi.

Parametri, ki jih je treba oceniti, so odvisni od vrste vodnega telesa (bodi lentinski (jezera, ribniki, močvirja)) ali lotski (reke, potoki). Upoštevati je treba tudi pretok, pokrito območje, količino vode, temperaturo in podnebje.

Prav tako je treba upoštevati vir kontaminacije, ki ga je treba oceniti, saj ima vsak kontaminant drugačno vedenje in učinek.

V primeru izpustov v vodno telo se upošteva vrsta izpusta, onesnaževala, ki jih vsebuje, in njegova prostornina.

Razvrstitev

Obstajajo številni matematični modeli za simulacijo obnašanja onesnaževal v vodnih telesih. Razvrstimo jih lahko glede na vrsto postopka, ki ga upoštevamo (fizikalni, kemični, biološki) ali vrsto metode raztopine (empirično, približno, poenostavljeno).

Dejavniki, ki se upoštevajo pri razvrščanju teh modelov, so dinamika in dimenzionalnost.

Dinamičen

Stacionarni modeli menijo, da zadostuje določitev verjetnostne porazdelitve stanja onesnaževalca v danem trenutku ali prostoru. Nato je to porazdelitev verjetnosti ekstrapoliral, saj meni, da je enaka v vsem času in prostoru tega vodnega telesa.

V dinamičnih modelih predvidevamo, da se verjetnost obnašanja onesnaževal lahko spreminja v času in prostoru. Kvazi-dinamični modeli izvajajo analizo po delih in ustvarijo delni približek dinamiki sistema.

Obstajajo programi, ki lahko delujejo tako v dinamičnem kot v kvazi-dinamičnem modelu.

Dimenzionalnost

Glede na prostorske dimenzije, ki jih model upošteva, obstajajo dimenzionalni, enodimenzionalni (1D), dvodimenzionalni (2D) in tridimenzionalni (3D).

Brezdimenzijski model meni, da je medij v vseh smereh homogen. 1D model lahko opiše prostorsko variacijo vzdolž reke, ne pa tudi v njenem navpičnem ali preseku. 2D model bo upošteval dve od teh dimenzij, medtem ko bo 3D model vseboval vse.

Primeri

Vrsta uporabljenega modela je odvisna od vode vode, ki jo je treba preučiti, in cilja študije, zato ga je treba umeriti za vsako posamezno stanje. Poleg tega je treba upoštevati razpoložljivost informacij in procese, ki jih je treba modelirati.

Nekaj ​​primerov modelov za preučevanje kakovosti vode v rekah, potokih in jezerih je opisano spodaj:

QUAL2K in QUAL2Kw (model kakovosti vode)

Simulira vse spremenljivke kakovosti vode pod simuliranim konstantnim tokom. Simulira dve ravni BPK za razvoj scenarijev sposobnosti reke ali potoka za razgradnjo organskih onesnaževal.

Ta model omogoča tudi simuliranje nastale količine ogljika, fosforja, dušika, anorganskih trdnih snovi, fitoplanktona in detritusa. Prav tako simulira količino raztopljenega kisika, kar napoveduje morebitne težave z evtrofikacijo.

Tudi druge spremenljivke, kot je pH ali sposobnost izločanja patogenov, se napovedujejo posredno.

STREETER-PHELPS model

Zelo uporaben model je oceniti obnašanje koncentracije določenega onesnaževala na območju vpliva izliva v reko.

Eno od onesnaževal, ki daje najpomembnejši učinek, je organska snov, zato je najbolj informativna spremenljivka v tem modelu potreba po raztopljenem kisiku. Zato vključuje matematično formulacijo glavnih procesov, povezanih z raztopljenim kisikom v reki.

Model MIKE11

Simulira različne procese, kot so razgradnja organske snovi, fotosinteza in dihanje vodnih rastlin, nitrifikacija in izmenjava kisika. Zanj je značilno, da simulirajo procese transformacije in razpršitve onesnaževal.

RIOS model

Ta model je bil zasnovan v okviru upravljanja povodja in združuje biofizične, socialne in ekonomske podatke.

Prinaša koristne informacije za načrtovanje sanacijskih ukrepov in vključuje parametre, kot so raztopljeni kisik, BPK, koliformne snovi in ​​analiza strupenih snovi.

Model QUASAR (Simulacija kakovosti vzdolž rečnih sistemov)

Reka je modelirana ločeno na odseke, ki jih določajo pritoki, prelivi in ​​javni vhodi, ki prihajajo iz nje.

Med drugimi parametri šteje pretok, temperaturo, pH, BPK in koncentracijo amoniaka, nitratov, Escherichia coli in raztopljenega kisika.

WASP (Simulacijski program analize kakovosti vode)

Lahko se približate preučevanju vodnega telesa v različnih dimenzijah (1D, 2D ali 3D). Pri uporabi lahko uporabnik izbere stalne ali časovno različne procese kinetičnega transporta.

Vključeni so točkovni in netočkovni odpadki, njihova uporaba pa vključuje različne okvire fizikalnega, kemičnega in biološkega modeliranja. Tu so lahko vključeni različni vidiki, kot so evtrofikacija in strupene snovi.

AQUASIM model

Ta model se uporablja za preučevanje kakovosti vode v rekah in jezerih. Deluje kot diagram poteka, kar omogoča simuliranje velikega števila parametrov.

Reference

1. Castro-Huertas MA (2015) Uporaba QUAL2KW pri modeliranju kakovosti vode reke Guacaica, departma Caldas, Kolumbija. Delo na stopnji. Fakulteta za inženirstvo in arhitekturo, Oddelek za kemijsko inženirstvo, Nacionalna univerza v Kolumbiji. Kolumbija. 100 str.
2. Di Toro DM, JJ Fitzpatrick in RV Thomann (1981) Simulacijski program analize kakovosti vode (WASP) in program za preverjanje modela (MVP) - Dokumentacija. Hydroscience, Inc., Westwood, NY, za ZDA EPA, Duluth, MN, pogodba št. 68-01-3872.
3. López-Vázquez CM, G Buitrón-Méndez, HA García in FJ Cervantes-Carrillo (ur.) (2017). Biološko čiščenje odpadnih voda. Načela, modeliranje in oblikovanje. IWA Publishing. 580 str.
4. Matovelle C (2017) Matematični model kakovosti vode, uporabljen v porečju reke Tabacay. Tehnična revija Killkana 1: 39–48.
5. Ordoñez-Moncada J in M ​​Palacios-Quevedo (2017) Model kakovosti vode. Concesionaria Vial Unión del Sur. SH Konzorcij. Dvojno vozišče. Rumichaca-Pasto. Oddelek Nariño. HSE, Asesoría e Ingeniería Ambiental SAS 45 str.
6. Reichert P (1998) AQUASIM 2.0 - Priročnik za uporabnike, računalniški program za identifikacijo in simulacijo vodnih sistemov, Švicarski zvezni inštitut za okoljsko znanost in tehnologijo (EAWAG), Švica.
7. Rendón-Velázquez CM (2013) Matematični modeli kakovosti vode v jezerih in rezervoarjih. Teza. Fakulteta za strojništvo. Nacionalna avtonomna univerza v Mehiki. Mehika, DF 95 str.