Jaké typy modelů by měly být použity pro studium kvality vody?



Modely kvality vody jsou matematické formulace, které simulují chování a účinky kontaminantů ve vodě. V tomto smyslu jsou prezentovány možné scénáře dopadu znečišťujících látek s využitím různých vzorců, které vycházejí z určitých parametrů a proměnných.

Existují různé modely kvality vody v závislosti na zdroji znečištění a vodním útvaru, který chcete vyhodnotit. Tyto modely se skládají z počítačových programů založených na matematických algoritmech.

Modely integrují terénní data různých proměnných a faktorů plus určité vstupní podmínky. Z těchto dat modely generují možné scénáře, extrapolace dat v čase a prostoru na základě pravděpodobností.

Nejinformativnějším parametrem pro posouzení kontaminace tělesa vody je biochemická spotřeba kyslíku (BSK). Většina modelů zahrnuje odhad variace BSK jako kritéria pro generování jejich scénářů.

Vlády zavedly předpisy o kvalitě vody, které musí být splněny, aby získaly povolení k provádění potenciálně znečišťujících činností. V tomto smyslu jsou modely užitečným nástrojem k pochopení možného dopadu dané činnosti na kvalitu vody.

Index

  • 1 Matematické základy
    • 1.1 Parametry
  • 2 Klasifikace
    • 2.1 Dynamika
    • 2.2 Rozměrnost
  • 3 Příklady
    • 3.1 Model QUAL2K a QUAL2Kw (model kvality vody)
    • 3.2 Model STREETER-PHELPS
    • 3.3 Model MIKE11
    • 3.4 RIOS model
    • 3.5 Model QUASAR (simulace kvality podél říčních systémů)
    • 3.6 WASP (Simulační program analýzy kvality vody)
    • 3.7 Model AQUASIM
  • 4 Odkazy

Matematické základy

Modely používané k předpovědi chování kvality vody jsou založeny na diferenciálních rovnicích. Tyto rovnice se týkají velikosti změny určité funkce s velikostí změny v jiné.

V modelech kvality vody se používají nelineární diferenciální rovnice, protože procesy kontaminace vody jsou složité (nereagují na lineární vztah příčina-účinek).

Parametry

Při použití určitého modelu je nutné vzít v úvahu řadu parametrů.

Obecně se základní parametry odhadují jako biologická spotřeba kyslíku (BOD), chemická spotřeba kyslíku (CHSK), přítomnost dusíku a fosforu..

BSK je jedním z nejdůležitějších ukazatelů znečištění, protože vysoké hodnoty ukazují velké množství mikroorganismů. Co se týče CHSK, označuje množství kyslíku potřebné k oxidaci organických látek chemickými prostředky.

Parametry, které mají být hodnoceny, závisí na typu vody, ať už lentické (jezera, laguny, močály) nebo lotické (řeky, potoky). Mělo by také brát v úvahu průtok, pokrytou plochu, objem vody, teplotu a klima.

Je také nutné zvážit zdroj kontaminace, který má být hodnocen, protože každá znečišťující látka má odlišné chování a účinek.

V případě vypouštění do vodního útvaru se uvažuje typ vypouštění, kontaminanty, které obsahuje a jeho objem..

Klasifikace

Existuje mnoho matematických modelů, které simulují chování znečišťujících látek ve vodních útvarech. Lze je klasifikovat v závislosti na typu procesu, který berou v úvahu (fyzikální, chemické, biologické) nebo typu metody řešení (empirické, přibližné, zjednodušené).

Faktory, které se berou v úvahu při klasifikaci těchto modelů, jsou dynamika a rozměrnost.

Dynamika

Stacionární modely považují za dostačující stanovit rozdělení pravděpodobnosti stavu znečišťující látky v daném čase nebo prostoru. Následně, extrapolovat toto rozdělení pravděpodobnosti zvažovat to stejný ve všech časech a prostoru toho těla vody.

V dynamických modelech se předpokládá, že pravděpodobnosti chování kontaminantů se mohou měnit v čase a prostoru. Kvazi-dynamické modely provádějí analýzy po částech a generují částečnou aproximaci dynamiky systému.

Existují programy, které mohou pracovat jak v dynamických, tak i v kvazi-dynamických modelech.

Rozměrnost

V závislosti na prostorových rozměrech uvažovaných modelem, existují bezrozměrné, jednorozměrné (1D), dvourozměrné (2D) a trojrozměrné (3D).

Bezrozměrný model se domnívá, že médium je homogenní ve všech směrech. 1D model může popisovat prostorové změny podél řeky, ale ne v jeho průřezu nebo vertikální. 2D model bude zvažovat dva z těchto rozměrů, zatímco 3D bude zahrnovat všechny z nich.

Příklady

Typ modelu, který má být použit, závisí na těle vody, která má být studována, a na cíli studie a musí být kalibrován pro každou konkrétní podmínku. Navíc je třeba vzít v úvahu dostupnost informací a procesy, které chcete modelovat.

Některé příklady modelů pro studie kvality vody v řekách, potocích a jezerech jsou popsány níže:

Model QUAL2K a QUAL2Kw (model kvality vody)

Simuluje všechny proměnné kvality vody pod simulovaným konstantním průtokem. Simuluje dvě úrovně BSK k vytvoření scénářů říční nebo současné kapacity pro degradaci organických polutantů.

Tento model také umožňuje simulovat výsledné množství uhlíku, fosforu, dusíku, anorganických pevných látek, fytoplanktonu a detritu. Podobně simuluje množství rozpuštěného kyslíku, který předpovídá potenciální problémy eutrofizace.

Nepřímo se promítají i další proměnné, jako je pH nebo schopnost eliminovat patogeny.

Model STREETER-PHELPS

Jedná se o velmi užitečný model pro hodnocení chování koncentrace specifické znečišťující látky v oblasti vlivu úniku na řeku..

Jedním ze znečišťujících látek, které produkují významnější účinek, je organická hmota, takže nejvýznamnější proměnnou v tomto modelu je poptávka po rozpuštěném kyslíku. Zahrnuje tedy matematickou formulaci hlavních procesů spojených s rozpuštěným kyslíkem v řece.

Model MIKE11

Simuluje různé procesy, jako je degradace organické hmoty, fotosyntéza a dýchání vodních rostlin, nitrifikace a výměna kyslíku. Je charakterizován simulací procesů transformace a disperze znečišťujících látek.

Model RIOS

Tento model byl navržen v kontextu řízení povodí a kombinuje biofyzikální, sociální a ekonomické údaje.

Vytváří užitečné informace pro plánování nápravných opatření a zahrnuje parametry, jako je analýza rozpuštěného kyslíku, BSK, koliformních a toxických látek.

QUASAR Model (Simulace kvality podél říčních systémů)

Řeka je modelována odděleně do úseků, definovaných přítoky, skládkami a veřejnými prodejnami, které z ní přicházejí nebo odcházejí..

Zvažte mimo jiné parametry průtoku, teploty, pH, BSK a koncentrace dusičnanů amoniaku, Escherichia coli, a rozpuštěný kyslík.

WASP (Program pro analýzu kvality vody)

Studium vodního útvaru se můžete přiblížit v různých rozměrech (1D, 2D nebo 3D). Při jeho použití se uživatel může rozhodnout, že zadá konstantní nebo proměnlivé kinetické transportní procesy v čase.

Mohou být zahrnuty výpary z bodových i nebodových odpadů a jejich aplikace zahrnují několik rámců fyzikálního, chemického a biologického modelování. Zde můžete zahrnout různé aspekty, jako je eutrofizace a toxické látky.

Model AQUASIM

Tento model se používá ke studiu kvality vody v řekách a jezerech. Funguje jako vývojový diagram, který umožňuje simulovat velký počet parametrů.

Odkazy

  1. Castro-Huertas MA (2015) Aplikace QUAL2KW v modelování kvality vody v řece Guacaica v Kolumbii. Studijní práce Fakulta strojního inženýrství, Katedra chemického inženýrství, Národní Kolumbijská univerzita. Kolumbie 100 p.
  2. Di Toro DM, JJ Fitzpatrick yRV Thomann (1981) Program pro simulaci analýzy kvality vody (WASP) a program pro ověřování modelů (MVP) - Dokumentace. Hydroscience, Inc., Westwood, NY, pro USA EPA, Duluth, MN, smlouva č. 68-01-3872.
  3. López-Vázquez CM, G Buitrón-Méndez, HA García a FJ Cervantes-Carrillo (Eds.) (2017). Biologické čištění odpadních vod. Principy, modelování a design. Publikace IWA. 580 str.
  4. Matovelle C (2017) Matematický model kvality vody aplikovaný v mikrobasinu řeky Tabacay. Killkana Technical Review 1: 39-48.
  5. Ordoñez-Moncada J a M Palacios-Quevedo (2017) Model kvality vody. Jižní unie silniční koncesionář. SH Konsorcium Dvojitá cesta Rumichaca-Pastvina. Oddělení Nariño. HSE, environmentální poradenství a inženýrství S.A.S. 45 s.
  6. Reichert P (1998) AQUASIM 2.0 - Uživatelský manuál, počítačový program pro identifikaci a simulaci vodních systémů, Švýcarský federální institut pro vědu a techniku ​​životního prostředí (EAWAG), Švýcarsko.
  7. Rendón-Velázquez CM (2013) Matematické modely kvality vody v jezerech a nádržích. Diplomová práce Strojírenská škola. Národní autonomní univerzita Mexika. Mexiko, D.F. 95 s.