TYPER AF MODELLER, DER GÆLDER FOR UNDERSØGELSEN AF ​​VANDKVALITET - MILJØ - 2025

Modeller til vandkvalitet er matematiske formuleringer, der simulerer opførsel og virkninger af forurenende stoffer i vand. I denne forstand præsenteres mulige scenarier for påvirkningen af ​​forurenende stoffer ved hjælp af forskellige formler, der starter fra visse parametre og variabler.

Der er forskellige modeller af vandkvalitet afhængigt af forureningskilden og den vandmasse, der skal evalueres. Disse modeller består af computerprogrammer baseret på matematiske algoritmer.

Evaluering af vandkvalitet. Kilde: CSIRO

Modellerne integrerer feltdata fra forskellige variabler og faktorer plus visse inputbetingelser. Fra disse data genererer modellerne de mulige scenarier og ekstrapolerer data i tid og rum baseret på sandsynligheder.

Den mest informative parameter til vurdering af forureningen af ​​et vandmasse er den biokemiske iltbehov (BOD). De fleste af modellerne inkluderer estimering af variationen i BOD som et kriterium for at generere deres scenarier.

Regeringer har etableret vandkvalitetsbestemmelser, der skal overholdes for at få tilladelse til at udføre potentielt forurenende aktiviteter. I denne forstand er modeller et nyttigt værktøj til at forstå den mulige indvirkning på vandkvaliteten af ​​en given aktivitet.

Matematisk fundament

De modeller, der bruges til at forudsige opførsel af vandkvalitet, er baseret på differentialligninger. Disse ligninger relaterer mængden af ​​ændring i en funktion til størrelsen af ​​ændringen i en anden.

Ikke-lineære differentialligninger bruges i vandkvalitetsmodeller, fordi vandforureningsprocesser er komplekse (de reagerer ikke på et lineært forhold mellem årsag og virkning).

Parametre

Ved anvendelse af en bestemt model er det nødvendigt at tage en række parametre i betragtning.

Generelt estimeres basale parametre, såsom Biologisk iltbehov (BOD), kemisk iltbehov (COD), nitrogen og fosfor.

BOD er ​​en af ​​de vigtigste forureningsindikatorer, da høje værdier indikerer et stort antal mikroorganismer. På sin side angiver COD den mængde ilt, der er nødvendigt for at oxidere organisk stof ved kemiske midler.

Parametrene, der skal evalueres, afhænger af typen af ​​vandmasse, enten lentisk (søer, damme, sumpe) eller lotic (floder, vandløb). Strømningen, det dækkede område, vandmængden, temperaturen og klimaet skal også tages i betragtning.

Det er også nødvendigt at overveje kilden til kontaminering, der skal evalueres, da hver kontaminant har en anden adfærd og virkning.

I tilfælde af udledninger til vandmassen overvejes typen af ​​udledning, forurenende stoffer, den indeholder, og dens volumen.

Klassifikation

Der er adskillige matematiske modeller, der simulerer forurenende stoffer i vandmasser. De kan klassificeres afhængigt af den type proces, de overvejer (fysisk, kemisk, biologisk) eller typen af ​​opløsningsmetode (empirisk, omtrentlig, forenklet).

De faktorer, der tages i betragtning for at klassificere disse modeller, er dynamik og dimensionalitet.

Dynamisk

Stationære modeller vurderer, at det er tilstrækkeligt at etablere sandsynlighedsfordelingen af ​​forureningsstatus på et givet øjeblik eller et sted. Efterfølgende ekstrapolerer han denne sandsynlighedsfordeling, idet den betragtes som den samme i al tid og rum for den pågældende vandmasse.

I dynamiske modeller antages det, at sandsynligheden for forurenende adfærd kan ændre sig i tid og rum. Kvasi-dynamiske modeller udfører analysen i dele og genererer en delvis tilnærmelse til systemets dynamik.

Der er programmer, der kan arbejde både i en dynamisk og en kvasidynamisk model.

dimensionalitet

Afhængigt af de rumlige dimensioner, som modellen overvejer, er der dimensionløse, en-dimensionelle (1D), to-dimensionelle (2D) og tredimensionelle (3D).

En dimensionløs model betragter mediet som homogent i alle retninger. En 1D-model kan beskrive den rumlige variation langs en flod, men ikke i dens lodrette eller tværsnit. En 2D-model vil overveje to af disse dimensioner, mens en 3D-model vil indeholde dem alle.

eksempler

Den type model, der skal bruges, afhænger af den vandmasse, der skal undersøges, og undersøgelsens mål og skal kalibreres for hver enkelt tilstand. Derudover skal tilgængeligheden af ​​information og de processer, der skal modelleres, tages i betragtning.

Nogle eksempler på modeller til undersøgelser af vandkvalitet i floder, vandløb og søer er beskrevet nedenfor:

QUAL2K og QUAL2Kw (vandkvalitetsmodel)

Simulerer alle vandkvalitetsvariabler under en simuleret konstant strømning. Simulerer to niveauer af BOD for at udvikle scenarier for floden eller strømmenes evne til at nedbryde organiske forurenende stoffer.

Denne model tillader også simulering af den resulterende mængde carbon, fosfor, nitrogen, uorganiske faste stoffer, planteplankton og detritus. Ligeledes simulerer den mængden af ​​opløst ilt, der forudsiger mulige eutrofieringsproblemer.

Andre variabler, såsom pH eller evnen til at eliminere patogener, projiceres også indirekte.

STREETER-PHELPS model

Det er en meget nyttig model til at evaluere opførslen af ​​koncentrationen af ​​et specifikt forurenende stof i påvirkningsområdet for en udledning i en flod.

Et af de forurenende stoffer, der producerer den mest markante virkning, er organisk stof, så den mest informative variabel i denne model er opløsningen af ​​iltbehov. Derfor inkluderer det en matematisk formulering af de vigtigste processer forbundet med opløst ilt i en flod.

Model MIKE11

Det simulerer forskellige processer såsom nedbrydning af organisk stof, fotosyntesen og respiration af akvatiske planter, nitrifikation og iltudveksling. Det er kendetegnet ved at simulere processerne med transformation og spredning af forurenende stoffer.

RIOS model

Denne model er designet i sammenhæng med vandskifteforvaltning og kombinerer biofysiske, sociale og økonomiske data.

Det genererer nyttige oplysninger til planlægning af afhjælpning og inkluderer parametre som opløst ilt, BOD, coliforms og analyse af giftige stoffer.

QUASAR-model (Kvalitetssimulering langs flodsystemer)

Floden er modelleret adskilt i sektioner, defineret af sideelver, udløb og offentlige indtag, der ankommer eller afgår fra den.

Blandt andre parametre tager den hensyn til strømning, temperatur, pH, BOD og koncentration af ammoniak, nitrater, Escherichia coli og opløst ilt.

WASP (simuleringsprogram for vandkvalitetsanalyse)

Du kan henvende dig til studiet af vandmassen i forskellige dimensioner (1D, 2D eller 3D). Når du bruger det, kan brugeren vælge at gå ind i konstante eller tidsvarierende kinetiske transportprocesser.

Point- og ikke-punktaffaldsudladninger kan inkluderes, og deres anvendelser inkluderer forskellige fysiske, kemiske og biologiske modelleringsrammer. Her kan forskellige aspekter såsom eutrofiering og giftige stoffer inkluderes.

AQUASIM model

Denne model bruges til at undersøge vandkvaliteten i både floder og søer. Det fungerer som et rutediagram, der tillader simulering af et stort antal parametre.

Referencer

1. Castro-Huertas MA (2015) Anvendelse af QUAL2KW i modelleringen af ​​vandkvaliteten i Guacaica-floden, afdeling Caldas, Colombia. Grad arbejde. Fakultet for ingeniørvidenskab og arkitektur, Institut for Kemiteknik, National University of Colombia. Colombia. 100 s.
2. Di Toro DM, JJ Fitzpatrick og RV Thomann (1981) Simulation Program for Water Quality Analysis (WASP) og Model Verification Program (MVP) - Dokumentation. Hydroscience, Inc., Westwood, NY, for US EPA, Duluth, MN, kontrakt nr. 68-01-3872.
3. López-Vázquez CM, G Buitrón-Méndez, HA García og FJ Cervantes-Carrillo (Eds.) (2017). Biologisk spildevandsrensning. Principper, modellering og design. IWA Publishing. 580 s.
4. Matovelle C (2017) Matematisk model af vandkvalitet anvendt i Tabacay-flodmikrobekken. Killkana tekniske magasin 1: 39-48.
5. Ordoñez-Moncada J og M Palacios-Quevedo (2017) Vandkvalitetsmodel. Concesionaria Vial Unión del Sur. SH Consortium. Dobbelt kørebane. Rumichaca-Pasto. Nariño-afdelingen. HSE, Asesoría e Ingeniería Ambiental SAS 45 s.
6. Reichert P (1998) AQUASIM 2.0 - Brugervejledning, computerprogram til identifikation og simulering af akvatiske systemer, Swiss Federal Institute for Environmental Science and Technology (EAWAG), Schweiz.
7. Rendón-Velázquez CM (2013) Matematiske modeller af vandkvalitet i søer og reservoirer. Afhandling. Ingeniør Fakultet. National Autonomous Mexico of Mexico. Mexico, DF 95 s.