Какви типове модели трябва да се прилагат при изследването на качеството на водата?



Моделите за качеството на водата са математически формулировки, които симулират поведението и ефектите на замърсителите във водата. В този смисъл са представени възможните сценарии за въздействие на замърсителите, като се използват различни формули, които започват от определени параметри и променливи.

Има различни модели на качеството на водата в зависимост от източника на замърсяване и водния обект, който искате да оцените. Тези модели се състоят от компютърни програми, базирани на математически алгоритми.

Моделите интегрират полеви данни за различни променливи и фактори, както и определени условия за влизане. От тези данни моделите генерират възможните сценарии, екстраполират данните във времето и пространството въз основа на вероятностите.

Най-информативният параметър за оценка на замърсяването на воден обект е биохимичната потребност от кислород (БПК). Повечето модели включват оценка на вариацията на БПК като критерий за генериране на техните сценарии.

Правителствата са установили правила за качеството на водата, които трябва да бъдат спазени, за да получат разрешителни за изпълнение на потенциално замърсяващи дейности. В този смисъл моделите са полезен инструмент за разбиране на възможното въздействие върху качеството на водата на дадена дейност.

индекс

  • 1 Математическа основа
    • 1.1 Параметри
  • 2 Класификация
    • 2.1 Динамика
    • 2.2. Размерност
  • 3 Примери
    • 3.1 Модел QUAL2K и QUAL2Kw (модел за качеството на водата)
    • 3.2 Модел STREETER-PHELPS
    • 3.3 Модел MIKE11
    • 3.4 RIOS модел
    • 3.5 Модел QUASAR (симулация на качеството по речни системи)
    • 3.6 WASP (Програма за симулация на анализа на качеството на водата)
    • 3.7 Модел AQUASIM
  • 4 Препратки

Математическа основа

Моделите, използвани за прогнозиране на поведението на качеството на водата, се основават на диференциални уравнения. Тези уравнения свързват размера на промяна на дадена функция с величината на промяната в друга.

При моделите за качеството на водата се използват нелинейни диференциални уравнения, тъй като процесите на замърсяване на водата са сложни (те не отговарят на линейната причинно-следствена връзка).

параметри

При прилагането на определен модел е необходимо да се вземат предвид редица параметри.

Като цяло, основните параметри се оценяват като Биологичното търсене на кислород (БПК), Химическото потребление на кислород (ХПК), присъстващия азот и фосфор..

БПК е един от най-важните показатели за замърсяване, тъй като високите стойности показват голямо количество микроорганизми. От своя страна, ХПК показва количеството кислород, необходимо за окисляване на органичната материя с химически средства.

Параметрите, които трябва да бъдат оценени, зависят от вида на водния обект, било то лентичен (езера, лагуни, блата) или лотос (реки, потоци). Трябва да се вземе предвид и потокът, покритата площ, обемът на водата, температурата и климата.

Необходимо е също така да се разгледа източникът на замърсяване, който трябва да бъде оценен, тъй като всеки замърсител има различно поведение и ефект.

В случай на зауствания в тялото на водата се взема предвид вида на разтоварването, замърсителите, които той съдържа и обема му..

класификация

Съществуват множество математически модели за симулиране на поведението на замърсителите във водни обекти. Те могат да бъдат класифицирани в зависимост от вида на процеса, който те считат (физически, химически, биологични) или от вида на метода на решение (емпиричен, приблизителен, опростен).

Факторите, които се вземат предвид при класифицирането на тези модели, са динамиката и размерността.

динамичен

Стационарните модели смятат, че е достатъчно да се установи вероятностното разпределение на състоянието на замърсителя в дадено време или пространство. Впоследствие, екстраполирайте това разпределение на вероятността, считайки, че е равномерно във времето и пространството на това водно тяло.

При динамичните модели се приема, че вероятностите за поведение на замърсителите могат да се променят във времето и пространството. Квазидинамичните модели извършват анализите по части и генерират частично сближаване с динамиката на системата.

Има програми, които могат да работят както в динамични, така и в квази-динамични модели.

размерност

В зависимост от пространствените измерения, разглеждани от модела, има безразмерни, едномерни (1D), двуизмерни (2D) и триизмерни (3D).

Безразмерният модел счита, че средата е хомогенна във всички посоки. Модел 1D може да опише пространствените изменения по реката, но не и в неговото напречно сечение или вертикално. Един 2D модел ще разгледа два от тези измерения, докато 3D ще включва всички от тях.

Примери

Видът на модела, който ще се използва, зависи от водния обект, който трябва да бъде проучен и от целта на изследването, и трябва да бъде калибриран за всяко конкретно състояние. В допълнение, наличието на информация и процесите, които искате да моделирате, трябва да бъдат взети под внимание.

Някои примери за модели за изследване на качеството на водата в реки, потоци и езера са описани по-долу:

Модел QUAL2K и QUAL2Kw (модел за качеството на водата)

Симулира всички променливи за качеството на водата при симулиран постоянен поток. Симулира две нива на БПК за разработване на сценарии за речен или настоящ капацитет за разграждане на органичните замърсители.

Този модел също така позволява да се симулира полученото количество въглерод, фосфор, азот, неорганични твърди вещества, фитопланктон и детрит. По същия начин, симулира количеството на разтворен кислород, което предсказва потенциалните проблеми на еутрофикацията.

Други променливи, като рН или способността да се елиминират патогените, също се прогнозират индиректно.

Модел STREETER-PHELPS

Това е много полезен модел за оценка на поведението на концентрацията на специфичен замърсител в зоната на влияние на разлив към река.

Един от замърсителите, който произвежда по-значителен ефект, е органичната материя, така че най-информативната променлива в този модел е търсенето на разтворен кислород. Следователно тя включва математическа формулировка на основните процеси, свързани с разтворен кислород в реката.

Модел MIKE11

Симулира различни процеси като деградация на органична материя, фотосинтеза и дишане на водни растения, нитрификация и обмен на кислород. Характеризира се със симулиране на процесите на трансформация и дисперсия на замърсители.

RIOS модел

Този модел е разработен в контекста на управлението на водосборните басейни и съчетава биофизични, социални и икономически данни.

Генерира полезна информация за планиране на мерки за възстановяване и включва параметри като анализ на разтворен кислород, БПК, колиформни и токсични вещества.

Модел QUASAR (симулация на качеството по речни системи)

Реката е моделирана поотделно в участъци, определени от притоците, депата и обществените обекти, които пристигат или излизат от него.

Разгледайте, наред с други параметри, дебита, температурата, рН, БПК и концентрацията на амониеви нитрати, Escherichia coli, и разтворен кислород.

WASP (Програма за симулация на анализа на качеството на водата)

Можете да се обърнете към изследването на водния обект в различни размери (1D, 2D или 3D). Когато се използва, потребителят може да избере да въведе постоянни или променливи кинетични транспортни процеси във времето.

Могат да бъдат включени изхвърляния на точкови и неточкови отпадъци и техните приложения включват няколко рамки на физическо, химическо и биологично моделиране. Тук можете да включите различни аспекти, като еутрофикация и токсични вещества.

Модел AQUASIM

Този модел се използва за изследване на качеството на водата в реките и езерата. Работи като блок-схема, която позволява да се симулира голям брой параметри.

препратки

  1. Castro-Huertas MA (2015) Приложение на QUAL2KW в моделирането на качеството на водата на река Guacaica, департамент Caldas, Колумбия. Степен на работа Факултет по инженерство и архитектура, Катедра по химическо инженерство, Национален университет на Колумбия. Колумбия. 100 p.
  2. Di Toro DM, JJ Fitzpatrick yRV Thomann (1981) Програма за симулация на анализа на качеството на водата (WASP) и Програма за проверка на модела (MVP) - Документация. Hydroscience, Inc., Westwood, NY, за САЩ EPA, Duluth, MN, Договор № 68-01-3872.
  3. López-Vázquez CM, G Buitrón-Méndez, HA García и FJ Cervantes-Carrillo (Eds.) (2017). Биологично пречистване на отпадъчни води. Принципи, моделиране и дизайн. Издаване на IWA. 580 p.
  4. Matovelle C (2017) Математически модел на качеството на водата, прилаган в микробусините на река Табай. Технически преглед на Килкана 1: 39-48.
  5. Ordoñez-Moncada J и M Palacios-Quevedo (2017) Модел за качество на водата. Концесионер на Южния съюз. Консорциум SH Двоен път Rumichaca-Пасто. Департамент Нариньо. HSE, екологично консултиране и инженеринг S.A.S. 45 p.
  6. Reichert P (1998) AQUASIM 2.0 - Наръчник на потребителя, компютърна програма за идентифициране и симулиране на водни системи, Швейцарски федерален институт за екология и технологии (EAWAG), Швейцария.
  7. Rendón-Velázquez CM (2013) Математически модели на качеството на водата в езера и резервоари. Теза. Техническо училище. Национален автономен университет на Мексико. Мексико, D.F. 95 стр.