Katere vrste modelov je treba uporabiti pri preučevanju kakovosti vode?



Modeli za kakovost vode so matematične formulacije, ki simulirajo obnašanje in učinke onesnaževalcev v vodi. V tem smislu so predstavljeni možni scenariji vpliva onesnaževal z uporabo različnih formul, ki se začnejo z določenimi parametri in spremenljivkami.

Obstajajo različni modeli kakovosti vode glede na vir onesnaženja in vodno telo, ki ga želite oceniti. Ti modeli so sestavljeni iz računalniških programov, ki temeljijo na matematičnih algoritmih.

Modeli združujejo podatke o različnih spremenljivkah in faktorjih na terenu ter nekatere vstopne pogoje. Iz teh podatkov modeli ustvarjajo možne scenarije, 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 spremembe BPK kot merilo za ustvarjanje njihovih scenarijev.

Vlade so vzpostavile predpise o kakovosti vode, ki jih je treba izpolniti za pridobitev dovoljenj za izvajanje potencialno onesnaževalnih dejavnosti. V tem smislu so modeli koristno orodje za razumevanje možnega vpliva na kakovost vode določene dejavnosti.

Indeks

  • 1 Matematična osnova
    • 1.1 Parametri
  • 2 Razvrstitev
    • 2.1 Dinamika
    • 2.2 Dimenzionalnost
  • 3 Primeri
    • 3.1 Model QUAL2K in QUAL2Kw (model kakovosti vode)
    • 3.2 Model STREETER-PHELPS
    • 3.3 Model MIKE11
    • 3.4 Model RIOS
    • 3.5 Model QUASAR (simulacija kakovosti vzdolž rečnih sistemov)
    • 3.6 WASP (Simulacijski program za analizo kakovosti vode)
    • 3.7 AQUASIM model
  • 4 Reference

Matematična osnova

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

Pri modelih kakovosti vode se uporabljajo nelinearne diferencialne enačbe, ker so procesi kontaminacije vode kompleksni (ne odgovarjajo na linearno vzročno-posledično razmerje)..

Parametri

Pri uporabi določenega modela je potrebno upoštevati vrsto parametrov.

Na splošno se ocenjujejo osnovni parametri, kot so biološka potreba po kisiku (BPK), kemična potreba po kisiku (COD), prisotnost dušika in fosforja..

BPK je eden najpomembnejših kazalnikov onesnaženja, saj visoke vrednosti kažejo na veliko količino mikroorganizmov. Po drugi strani COD kaže količino kisika, ki je potrebna za oksidacijo organskih snovi s kemičnimi sredstvi.

Parametri, ki jih je treba oceniti, so odvisni od vrste vodnega telesa, naj bo to lentika (jezera, lagune, močvirja) ali lotije (reke, potoki). Upoštevati mora tudi pretok, površino, količino vode, temperaturo in podnebje.

Prav tako je treba upoštevati vir onesnaženja, ki ga je treba oceniti, saj ima vsako onesnaževalo drugačno vedenje in učinek.

V primeru izpustov v vodno telo se upoštevajo vrsta izpusta, kontaminanti, ki jih vsebuje, in prostornina..

Razvrstitev

Obstajajo številni matematični modeli za simulacijo obnašanja onesnaževal v vodnih telesih. Razvrščamo jih lahko glede na vrsto postopka (fizikalno, kemijsko, biološko) ali vrsto rešitve (empirično, približno, poenostavljeno)..

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

Dinamika

Stacionarni modeli menijo, da je dovolj, da ugotovimo verjetnostno porazdelitev stanja onesnaževala v danem času ali prostoru. Potem ekstrapolirajte to verjetnostno porazdelitev glede na to, da je enaka v vsem času in prostoru tega vodnega telesa.

Pri dinamičnih modelih se predpostavlja, da se verjetnost obnašanja kontaminantov lahko spremeni v času in prostoru. Kvazi-dinamični modeli opravljajo analize v delih in ustvarjajo delni približek dinamike sistema.

Obstajajo programi, ki lahko delujejo tako v dinamičnih kot v kvazi-dinamičnih modelih.

Dimenzionalnost

Odvisno od prostorskih dimenzij, ki jih model upošteva, so brezrazsežne, enodimenzionalne (1D), dvodimenzionalne (2D) in tridimenzionalne (3D).

Model brez dimenzij meni, da je medij homogen v vseh smereh. 1D model lahko opiše prostorske spremembe vzdolž reke, ne pa tudi v prerezu ali navpičnici. 2D model bo upošteval dve od teh dimenzij, medtem ko bo 3D vseboval vse.

Primeri

Vrsta modela, ki se bo uporabila, je odvisna od vodnega telesa, ki ga je treba preučiti, in cilja študije, zato ga je treba kalibrirati za vsak posamezen pogoj. Poleg tega je treba upoštevati razpoložljivost informacij in procese, ki jih želite modelirati.

V nadaljevanju so opisani nekateri primeri modelov za študije kakovosti vode v rekah, potokih in jezerih:

Model QUAL2K in QUAL2Kw (model kakovosti vode)

Simulira vse spremenljivke kakovosti vode pod simuliranim konstantnim tokom. Simulira dve ravni BPK za razvoj scenarijev rečne ali sedanje zmogljivosti za razgradnjo organskih onesnaževal.

Ta model omogoča tudi simulacijo nastale količine ogljika, fosforja, dušika, anorganskih trdnih snovi, fitoplanktona in detritusa. Podobno simulira količino raztopljenega kisika, ki napoveduje potencialne težave evtrofikacije.

Druge spremenljivke, kot so pH ali sposobnost odstranjevanja patogenov, se prav tako napovedujejo posredno.

Model STREETER-PHELPS

To je zelo uporaben model za ocenjevanje obnašanja koncentracije določenega onesnaževala v območju vpliva razlitja proti reki..

Eno od onesnaževalcev, ki povzročajo pomembnejši učinek, je organska snov, zato je najbolj informativna spremenljivka v tem modelu povpraševanje 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. Zanjo je značilna simulacija procesov transformacije in disperzije onesnaževal.

Model RIOS

Ta model je bil zasnovan v kontekstu upravljanja porečij in združuje biofizikalne, socialne in ekonomske podatke.

Ustvari koristne informacije za načrtovanje sanacijskih ukrepov in vključuje parametre, kot so raztopljeni kisik, BPK, koliformne bakterije in analize strupenih snovi.

Model QUASAR (simulacija kakovosti vzdolž rečnih sistemov)

Reka je modelirana ločeno na odseke, ki jih določajo pritoki, odlagališča in javne prodajalne, ki prihajajo ali odhajajo iz njega.

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

WASP (Simulacijski program za analizo kakovosti vode)

Proučite vodno telo v različnih dimenzijah (1D, 2D ali 3D). Ko ga uporabimo, se uporabnik lahko odloči za vnos konstantnih ali spremenljivih kinetičnih transportnih procesov skozi čas.

Lahko se vključijo izpusti točkovnih in netočnih odpadkov, njihova uporaba pa vključuje več okvirov fizičnega, kemijskega in biološkega modeliranja. Tu lahko vključite različne vidike, kot so evtrofikacija in strupene snovi.

Model AQUASIM

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

Reference

  1. Castro-Huertas MA (2015) Uporaba QUAL2KW pri modeliranju kakovosti vode reke Guacaica v departmaju Caldas, Kolumbija. Diplomsko delo Fakulteta za strojništvo in arhitekturo, Oddelek za kemijsko tehnologijo, Nacionalna univerza Kolumbije. Kolumbija 100 str.
  2. Di Toro DM, JJ Fitzpatrick yRV Thomann (1981) Simulacijski program za analizo kakovosti vode (WASP) in program verifikacije modelov (MVP) - dokumentacija. Hydroscience, Inc., Westwood, NY, za U.S. EPA, Duluth, MN, pogodba št. 68-01-3872.
  3. López-Vázquez CM, G Buitrón-Méndez, HA García in FJ Cervantes-Carrillo (ur.) (2017). Biološka obdelava odpadne vode. Načela, modeliranje in oblikovanje. Publikacija IWA. 580 str.
  4. Matovelle C (2017) Matematični model kakovosti vode, ki se uporablja v mikrobasini reke Tabacay. Tehnični pregled Killkane 1: 39-48.
  5. Ordoñez-Moncada J in M ​​Palacios-Quevedo (2017) Model kakovosti vode. Koncesionar za ceste Southern Union. Konzorcij SH Dvojna cesta Rumichaca-pašnik. Oddelek za Nariño. HSE, okoljsko svetovanje in inženiring S.A.S. 45 str.
  6. Reichert P (1998) AQUASIM 2.0 - Uporabniški priročnik, 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 Tehniška šola. Nacionalna avtonomna univerza v Mehiki. Mehika, D.F. 95 str.