Koje vrste modela treba primijeniti na proučavanje kakvoće vode?



Modeli kvalitete vode su matematičke formulacije koje simuliraju ponašanje i učinke kontaminanata u vodi. U tom smislu prikazani su mogući scenariji utjecaja onečišćujućih tvari korištenjem različitih formula koje polaze od određenih parametara i varijabli.

Postoje različiti modeli kvalitete vode ovisno o izvoru onečišćenja i vodnom tijelu koje želite procijeniti. Ovi modeli se sastoje od računalnih programa koji se temelje na matematičkim algoritmima.

Modeli integriraju terenske podatke različitih varijabli i faktora, uz određene uvjete ulaska. Iz tih podataka modeli generiraju moguće scenarije, ekstrapolirajući podatke u vremenu i prostoru na temelju vjerojatnosti.

Najinformativniji parametar za procjenu onečišćenja vodnog tijela je biokemijska potreba za kisikom (BOD). Većina modela uključuje procjenu BOD varijacije kao kriterij za generiranje njihovih scenarija.

Vlade su uspostavile propise o kvaliteti vode koji moraju biti zadovoljeni za dobivanje dozvola za obavljanje potencijalno zagađujućih aktivnosti. U tom smislu, modeli su koristan alat za razumijevanje mogućeg utjecaja na kvalitetu vode određene aktivnosti.

indeks

  • 1 Matematička podloga
    • 1.1 Parametri
  • 2 Klasifikacija
    • 2.1 Dinamika
    • 2.2 Dimenzionalnost
  • 3 Primjeri
    • 3.1 Model QUAL2K i QUAL2Kw (model kvalitete vode)
    • 3.2 Model STREETER-PHELPS
    • 3.3 Model MIKE11
    • 3.4 RIOS model
    • 3.5 Model QUASAR (simulacija kvalitete uz riječne sustave)
    • 3.6 WASP (Simulacijski program analize kvalitete vode)
    • 3.7 AQUASIM model
  • 4 Reference

Matematički temelj

Modeli koji se koriste za predviđanje ponašanja kvalitete vode temelje se na diferencijalnim jednadžbama. Te jednadžbe povezuju količinu promjene određene funkcije s veličinom promjene u drugoj.

U modelima kvalitete vode koriste se nelinearne diferencijalne jednadžbe, jer su procesi kontaminacije vode složeni (ne odgovaraju linearnoj uzročno-posljedičnoj vezi).

parametri

Kod primjene određenog modela potrebno je uzeti u obzir niz parametara.

Općenito, procjenjuju se osnovni parametri kao što je biološka potrošnja kisika (BPK), kemijska potrošnja kisika (COD), prisutan dušik i fosfor..

BPK je jedan od najvažnijih pokazatelja onečišćenja, jer visoke vrijednosti ukazuju na veliku količinu mikroorganizama. Sa svoje strane, KPK ukazuje na količinu kisika potrebnu za oksidaciju organske tvari kemijskim sredstvima.

Parametri koji se procjenjuju ovise o vrsti vodnog tijela, bilo da je riječ o lentici (jezera, lagune, močvare) ili lotosima (rijeke, potoci). Također treba uzeti u obzir protok, pokriveno područje, količinu vode, temperaturu i klimu.

Također je potrebno razmotriti izvor kontaminacije koji se procjenjuje, budući da svako zagađivač ima različito ponašanje i učinak.

U slučaju ispuštanja u vodno tijelo, razmatraju se tip ispuštanja, kontaminanti koje on sadrži i njegov volumen..

klasifikacija

Postoje brojni matematički modeli za simulaciju ponašanja zagađivača u vodenim tijelima. Mogu se klasificirati ovisno o tipu procesa koji smatraju (fizikalnom, kemijskom, biološkom) ili načinu rješavanja (empirijski, približni, pojednostavljeni).

Čimbenici koji se uzimaju u obzir pri klasifikaciji tih modela su dinamika i dimenzionalnost.

dinamičan

Stacionarni modeli smatraju da je dovoljno utvrditi razdiobu vjerojatnosti stanja onečišćujuće tvari u danom vremenu ili prostoru. Nakon toga, ekstrapolirajte tu raspodjelu vjerojatnosti s obzirom na to da je jednaka u svim vremenskim i prostornim dijelovima tog vodenog tijela.

U dinamičkim modelima pretpostavlja se da se vjerojatnosti ponašanja kontaminanata mogu promijeniti u vremenu i prostoru. Kvazi-dinamički modeli izvode analize u dijelovima i generiraju djelomičnu aproksimaciju dinamike sustava.

Postoje programi koji mogu raditi u dinamičkim i kvazi-dinamičkim modelima.

dimenzionalnost

Ovisno o prostornim dimenzijama koje model razmatra, postoje bezdimenzionalni, jednodimenzionalni (1D), dvodimenzionalni (2D) i trodimenzionalni (3D).

Model bez dimenzija smatra da je medij homogen u svim smjerovima. 1D model može opisati prostorne varijacije duž rijeke, ali ne u poprečnom presjeku ili vertikalno. 2D model će uzeti u obzir dvije od tih dimenzija, dok će 3D obuhvatiti sve njih.

Primjeri

Tip modela koji će se koristiti ovisi o tijelu vode koja se proučava i cilju istraživanja, te mora biti kalibrirana za svaki pojedini uvjet. Osim toga, potrebno je uzeti u obzir dostupnost informacija i procese koje želite modelirati.

Neki primjeri modela za ispitivanje kakvoće vode u rijekama, potocima i jezerima opisani su u nastavku:

Model QUAL2K i QUAL2Kw (model kvalitete vode)

Simulira sve varijable kvalitete vode pod simuliranim konstantnim protokom. Simulira dvije razine BPK-a za razvoj scenarija riječnih ili trenutnih kapaciteta za razgradnju organskih zagađivača.

Ovaj model također omogućuje simulaciju dobivene količine ugljika, fosfora, dušika, anorganskih krutina, fitoplanktona i detritusa. Slično tome, simulira se količina otopljenog kisika, koji predviđa potencijalne probleme eutrofikacije.

Druge varijable kao što su pH ili sposobnost eliminiranja patogena također su projicirane neizravno.

Model STREETER-PHELPS

To je vrlo koristan model za procjenu ponašanja koncentracije određenog zagađivača u području utjecaja izlijevanja na rijeku.

Jedan od zagađivača koji proizvodi značajniji učinak je organska tvar, tako da je najinformativnija varijabla u ovom modelu potražnja za otopljenim kisikom. Stoga uključuje matematičku formulaciju glavnih procesa povezanih s otopljenim kisikom u rijeci.

Model MIKE11

Simulira različite procese kao što su razgradnja organske tvari, fotosinteza i disanje vodenih biljaka, nitrifikacija i izmjena kisika. Odlikuje se simulacijom procesa transformacije i disperzije zagađivača.

RIOS model

Ovaj model je dizajniran u kontekstu upravljanja slivom i kombinira biofizičke, društvene i ekonomske podatke.

Stvara korisne informacije za planiranje mjera sanacije i uključuje parametre kao što su otopljeni kisik, BPK, koliformne i toksične tvari.

Model QUASAR (simulacija kvalitete uz riječne sustave)

Rijeka je modelirana zasebno u dijelove, definirane pritokama, odlagalištima i javnim mjestima koja dolaze ili odlaze.

Uzeti u obzir, pored ostalih parametara, brzinu protoka, temperaturu, pH, BPK i koncentraciju amonijačnih nitrata, Escherichia coli, i otopljenog kisika.

WASP (Simulacijski program za analizu kvalitete vode)

Možete pristupiti proučavanju vodenog tijela u različitim dimenzijama (1D, 2D ili 3D). Kada se koristi, korisnik može izabrati unos konstantnih ili promjenjivih kinetičkih procesa tijekom vremena.

Mogu se uključiti ispusti točkovnih i ne-točkastih otpada, a njihova primjena uključuje nekoliko okvira fizičkog, kemijskog i biološkog modeliranja. Ovdje možete uključiti različite aspekte kao što su eutrofikacija i otrovne tvari.

Model AQUASIM

Ovaj model koristi se za proučavanje kakvoće vode u rijekama i jezerima. Radi kao dijagram toka koji omogućuje simulaciju velikog broja parametara.

reference

  1. Castro-Huertas MA (2015) Primjena QUAL2KW u modeliranju kvalitete vode rijeke Guacaica, odjel Caldas, Kolumbija. Diplomski rad Fakultet strojarstva i arhitekture, Odjel za kemijsko inženjerstvo, Nacionalno sveučilište Kolumbije. Kolumbija. 100 str.
  2. Di Toro DM, JJ Fitzpatrick yRV Thomann (1981) Simulacijski program za analizu kvalitete vode (WASP) i Program verifikacije modela (MVP) - dokumentacija. Hydroscience, Inc., Westwood, NY, za U.S. EPA, Duluth, MN, Ugovor br. 68-01-3872.
  3. López-Vázquez CM, G Buitrón-Méndez, HA García i FJ Cervantes-Carrillo (ur.) (2017). Biološka obrada otpadnih voda. Principi, modeliranje i dizajn. IWA Publishing. 580 str.
  4. Matovelle C (2017) Matematički model kakvoće vode primijenjen u mikrobasinici rijeke Tabacay. Tehnički pregled Killkane 1: 39-48.
  5. Ordoñez-Moncada J i M Palacios-Quevedo (2017) Model kvalitete vode. Koncesionar južne unije cesta. Konzorcij SH Dvostruka cesta Rumichaca-Pasto. Odjel Nariño. HSE, savjetovanje o zaštiti okoliša i inženjering S.A.S. 45 str.
  6. Reichert P (1998) AQUASIM 2.0 - Korisnički priručnik, računalni program za identifikaciju i simulaciju vodenih sustava, Švicarski savezni institut za znanost o okolišu i tehnologiju (EAWAG), Švicarska.
  7. Rendón-Velázquez CM (2013) Matematički modeli kakvoće vode u jezerima i akumulacijama. Teza. Tehnička škola. Nacionalno autonomno sveučilište u Meksiku. Meksiko, D.F. 95 str.