Dzielić:
Jakie typy modeli należy stosować do badania jakości wody?
Modele jakości wody są formułami matematycznymi, które symulują zachowanie i wpływ zanieczyszczeń w wodzie. W tym sensie przedstawiono możliwe scenariusze wpływu zanieczyszczeń, stosując różne formuły, które zaczynają się od pewnych parametrów i zmiennych.
Istnieją różne modele jakości wody w zależności od źródła zanieczyszczenia i części wód, które chcesz ocenić. Modele te składają się z programów komputerowych opartych na algorytmach matematycznych.
Modele integrują dane terenowe różnych zmiennych i czynników oraz pewne warunki wejścia. Na podstawie tych danych modele generują możliwe scenariusze, ekstrapolując dane w czasie i przestrzeni na podstawie prawdopodobieństw.
Najbardziej informacyjnym parametrem do oceny zanieczyszczenia ciała wodnego jest biochemiczne zapotrzebowanie na tlen (BZT). Większość modeli zawiera oszacowanie zmienności BZT jako kryterium generowania scenariuszy.
Rządy ustanowiły przepisy dotyczące jakości wody, które muszą zostać spełnione, aby uzyskać pozwolenia na wykonywanie działań potencjalnie zanieczyszczających. W tym sensie modele są użytecznym narzędziem do zrozumienia możliwego wpływu na jakość wody danej działalności.
Indeks
- 1 Podstawa matematyczna
- 1.1 Parametry
- 2 Klasyfikacja
- 2.1 Dynamika
- 2.2 Wymiarowość
- 3 Przykłady
- 3.1 Model QUAL2K i QUAL2Kw (model jakości wody)
- 3.2 Model STREETER-PHELPS
- 3.3 Model MIKE11
- 3.4 Model RIOS
- 3.5 Model QUASAR (Symulacja jakości wzdłuż systemów rzeki)
- 3.6 WASP (Program do analizy jakości wody)
- 3.7 Model AQUASIM
- 4 odniesienia
Podstawa matematyczna
Modele używane do prognozowania zachowania jakości wody oparte są na równaniach różniczkowych. Równania te odnoszą się do wielkości zmiany pewnej funkcji z wielkością zmiany w innej.
W modelach jakości wody stosowane są nieliniowe równania różniczkowe, ponieważ procesy zanieczyszczenia wody są złożone (nie reagują na liniowy związek przyczynowo-skutkowy).
Parametry
Przy stosowaniu określonego modelu należy wziąć pod uwagę szereg parametrów.
Zasadniczo szacuje się podstawowe parametry, takie jak biologiczne zapotrzebowanie na tlen (BZT), chemiczne zapotrzebowanie na tlen (ChZT), azot i fosfor..
BZT jest jednym z najważniejszych wskaźników zanieczyszczenia, ponieważ wysokie wartości wskazują na dużą ilość mikroorganizmów. Z kolei ChZT wskazuje ilość tlenu potrzebną do utlenienia materii organicznej za pomocą środków chemicznych.
Parametry, które należy ocenić, zależą od rodzaju wody, czy to lentic (jeziora, laguny, bagna) czy loteryjne (rzeki, strumienie). Powinien także uwzględniać przepływ, objętość obszaru, objętość wody, temperaturę i klimat.
Konieczne jest również rozważenie źródła zanieczyszczenia, które ma być ocenione, ponieważ każde zanieczyszczenie ma inne zachowanie i efekt.
W przypadku zrzutów do wód, rozważany jest rodzaj zrzutu, zawarte w nim zanieczyszczenia i jego objętość..
Klasyfikacja
Istnieje wiele modeli matematycznych do symulacji zachowania zanieczyszczeń w zbiornikach wodnych. Można je klasyfikować w zależności od rodzaju procesu, który rozważają (fizyczny, chemiczny, biologiczny) lub rodzaju metody rozwiązania (empiryczna, przybliżona, uproszczona).
Czynnikami branymi pod uwagę przy klasyfikacji tych modeli są dynamika i wymiarowość.
Dynamika
Modele stacjonarne uważają, że wystarczy ustalić rozkład prawdopodobieństwa stanu zanieczyszczenia w danym czasie lub przestrzeni. Następnie ekstrapoluj rozkład prawdopodobieństwa, uważając go za równy w całym czasie i przestrzeni tego akwenu.
W modelach dynamicznych zakłada się, że prawdopodobieństwo zachowań zanieczyszczeń może się zmieniać w czasie i przestrzeni. Modele quasi-dynamiczne wykonują analizy w częściach i generują częściowe przybliżenie dynamiki systemu.
Istnieją programy, które mogą działać zarówno w modelach dynamicznych, jak i quasi-dynamicznych.
Wymiarowość
W zależności od wymiarów przestrzennych rozpatrywanych przez model, są bezwymiarowe, jednowymiarowe (1D), dwuwymiarowe (2D) i trójwymiarowe (3D).
Model bezwymiarowy uważa, że medium jest jednorodne we wszystkich kierunkach. Model 1D może opisywać zmienność przestrzenną wzdłuż rzeki, ale nie w jej przekroju poprzecznym lub pionowym. Model 2D uwzględni dwa z tych wymiarów, podczas gdy model 3D obejmie wszystkie z nich.
Przykłady
Rodzaj stosowanego modelu zależy od badanej części wód i celu badania, a także musi być skalibrowany dla każdego konkretnego warunku. Ponadto należy wziąć pod uwagę dostępność informacji i procesy, które chcesz modelować.
Niektóre przykłady modeli badań jakości wody w rzekach, strumieniach i jeziorach opisano poniżej:
Model QUAL2K i QUAL2Kw (model jakości wody)
Symuluje wszystkie zmienne jakości wody w symulowanym stałym przepływie. Symuluje dwa poziomy BZT, aby opracować scenariusze zdolności rzeki lub prądu do degradacji zanieczyszczeń organicznych.
Model ten pozwala również symulować powstającą ilość węgla, fosforu, azotu, nieorganicznych ciał stałych, fitoplanktonu i detrytusu. Podobnie symuluje ilość rozpuszczonego tlenu, która przewiduje potencjalne problemy eutrofizacji.
Inne zmienne, takie jak pH lub zdolność do eliminacji patogenów, są również prognozowane pośrednio.
Model STREETER-PHELPS
Jest to bardzo przydatny model do oceny zachowania stężenia określonego zanieczyszczenia w obszarze wpływu wycieku w kierunku rzeki.
Jedną z substancji zanieczyszczających, która wytwarza bardziej znaczący efekt, jest materia organiczna, więc najbardziej informacyjną zmienną w tym modelu jest zapotrzebowanie na rozpuszczony tlen. Dlatego obejmuje matematyczne sformułowanie głównych procesów związanych z rozpuszczonym tlenem w rzece.
Model MIKE11
Symuluje różne procesy, takie jak degradacja materii organicznej, fotosynteza i oddychanie roślin wodnych, nitryfikacja i wymiana tlenu. Charakteryzuje się symulacją procesów transformacji i dyspersji zanieczyszczeń.
Model RIOS
Model ten został zaprojektowany w kontekście zarządzania działami wodnymi i łączy dane biofizyczne, społeczne i ekonomiczne.
Generuje przydatne informacje w celu zaplanowania środków zaradczych i obejmuje takie parametry, jak analiza rozpuszczonego tlenu, BZT, bakterii z grupy coli i substancji toksycznych.
Model QUASAR (Symulacja jakości wzdłuż systemów rzeki)
Rzeka jest modelowana osobno w sekcje, określone przez dopływy, wysypiska śmieci i publiczne ujścia, które przybywają lub odchodzą.
Rozważ między innymi natężenie przepływu, temperaturę, pH, BZT i stężenie azotanów amoniaku, Escherichia coli, i rozpuszczony tlen.
WASP (Program do analizy jakości wody)
Możesz podejść do badania części wód w różnych wymiarach (1D, 2D lub 3D). Korzystając z niego, użytkownik może wprowadzić stałe lub zmienne procesy transportu kinetycznego w czasie.
Mogą zostać uwzględnione zrzuty odpadów punktowych i niepunktowych, a ich zastosowania obejmują kilka ram modelowania fizycznego, chemicznego i biologicznego. Tutaj możesz uwzględnić różne aspekty, takie jak eutrofizacja i substancje toksyczne.
Model AQUASIM
Ten model służy do badania jakości wody w rzekach i jeziorach. Działa jako diagram przepływu, pozwalający na symulację dużej liczby parametrów.
Referencje
- Castro-Huertas MA (2015) Zastosowanie QUAL2KW w modelowaniu jakości wody rzeki Guacaica, departament Caldas, Kolumbia. Praca dyplomowa Wydział Inżynierii i Architektury, Wydział Inżynierii Chemicznej, Narodowy Uniwersytet Kolumbii. Kolumbia 100 p.
- Di Toro DM, JJ Fitzpatrick yRV Thomann (1981) Program do analizy jakości wody (WASP) i program weryfikacji modelu (MVP) - dokumentacja. Hydroscience, Inc., Westwood, NY, dla USA EPA, Duluth, MN, umowa nr 68-01-3872.
- López-Vázquez CM, G Buitrón-Méndez, HA García i FJ Cervantes-Carrillo (red.) (2017). Biologiczne oczyszczanie ścieków. Zasady, modelowanie i projektowanie. IWA Publishing. 580 pkt.
- Matovelle C (2017) Matematyczny model jakości wody stosowany w mikrobasie rzeki Tabacay. Killkana Technical Review 1: 39-48.
- Ordoñez-Moncada J i M Palacios-Quevedo (2017) Model jakości wody. Południowo-unijny koncesjonariusz drogowy. Konsorcjum SH Podwójna droga Rumichaca-Pasture. Departament Nariño. HSE, konsultacje środowiskowe i inżynieria S.A.S. 45 p.
- Reichert P (1998) AQUASIM 2.0 - Podręcznik użytkownika, program komputerowy do identyfikacji i symulacji systemów wodnych, Szwajcarski Federalny Instytut Nauk o Środowisku i Technologii (EAWAG), Szwajcaria.
- Rendón-Velázquez CM (2013) Matematyczne modele jakości wody w jeziorach i zbiornikach. Teza Szkoła Inżynierii. Narodowy Autonomiczny Uniwersytet Meksyku. Meksyk, D.F. 95 p.