Kādus modeļus jāpiemēro ūdens kvalitātes pētījumam?



Ūdens kvalitātes modeļi ir matemātiski formulējumi, kas modelē piesārņotāju uzvedību un ietekmi ūdenī. Šajā ziņā tiek parādīti iespējamie piesārņotāju ietekmes scenāriji, izmantojot dažādas formulas, kas sākas no noteiktiem parametriem un mainīgajiem..

Ir dažādi ūdens kvalitātes modeļi atkarībā no piesārņojuma avota un ūdens, kuru vēlaties novērtēt. Šie modeļi sastāv no datorprogrammām, kuru pamatā ir matemātiskie algoritmi.

Modeļi apvieno dažādo mainīgo un faktoru lauka datus, kā arī dažus ieejas nosacījumus. No šiem datiem, modeļi rada iespējamos scenārijus, ekstrapolējot datus laikā un telpā, pamatojoties uz varbūtībām.

Informatīvākais parametrs, lai novērtētu ūdens tilpuma piesārņojumu, ir bioķīmiskais skābekļa patēriņš (BOD). Lielākā daļa modeļu ietver BSP variācijas novērtējumu kā kritēriju, lai radītu to scenārijus.

Valdībām ir noteikti ūdens kvalitātes noteikumi, kas jāievēro, lai saņemtu atļaujas potenciāli piesārņojošu darbību veikšanai. Šajā ziņā modeļi ir noderīgs instruments, lai izprastu iespējamo ietekmi uz konkrētas darbības ūdens kvalitāti.

Indekss

  • 1 Matemātiskais pamats
    • 1.1. Parametri
  • 2 Klasifikācija
    • 2.1. Dinamika
    • 2.2. Dimensija
  • 3 Piemēri
    • 3.1. QUAL2K un QUAL2Kw modelis (ūdens kvalitātes modelis)
    • 3.2. STREETER-PHELPS modelis
    • 3.3. MIKE11 modelis
    • 3.4 RIOS modelis
    • 3.5. QUASAR modelis (kvalitātes simulācija gar upes sistēmām)
    • 3.6 WASP (ūdens kvalitātes analīzes simulācijas programma)
    • 3.7 AQUASIM modelis
  • 4 Atsauces

Matemātiskais pamats

Ūdens kvalitātes uzvedības prognozēšanai izmantotie modeļi balstās uz diferenciālvienādojumiem. Šie vienādojumi attiecas uz noteiktas funkcijas izmaiņu apjomu ar izmaiņu lielumu citā.

Ūdens kvalitātes modeļos tiek izmantoti nelineāri diferenciālvienādojumi, jo ūdens piesārņojuma procesi ir sarežģīti (tie nereaģē uz lineāru cēloņsakarību).

Parametri

Piemērojot noteiktu modeli, ir jāņem vērā virkne parametru.

Kopumā tiek aprēķināti pamatparametri, piemēram, bioloģiskais skābekļa pieprasījums (BOD), ķīmiskais skābekļa pieprasījums (COD), slāpeklis un fosfors..

BOD ir viens no svarīgākajiem piesārņojuma rādītājiem, jo ​​augstās vērtības norāda uz lielu mikroorganismu daudzumu. Savukārt COD norāda skābekļa daudzumu, kas nepieciešams, lai oksidētu organiskās vielas ar ķīmiskiem līdzekļiem.

Vērtējamie parametri ir atkarīgi no ūdens veida, vai tas ir lēcas (ezeri, lagūnas, purvi) vai losjons (upes, straumi). Tajā jāņem vērā arī plūsma, platība, ūdens daudzums, temperatūra un klimats.

Ir arī jāapsver iespējamais piesārņojuma avots, jo katram piesārņotājam ir atšķirīga uzvedība un ietekme.

Attiecībā uz izplūdi ūdenstilpnē tiek ņemts vērā izplūdes veids, tajā esošie piesārņotāji un tilpums..

Klasifikācija

Ir vairāki matemātiskie modeļi, lai modelētu piesārņojošo vielu darbību ūdenstilpēs. Tos var klasificēt atkarībā no procesa veida, ko tie uzskata (fizikāli, ķīmiski, bioloģiski) vai šķīduma metodes veidu (empīrisks, aptuvens, vienkāršots)..

Faktori, kas tiek ņemti vērā, lai klasificētu šos modeļus, ir dinamika un dimensija.

Dinamika

Stacionārie modeļi uzskata, ka ir pietiekami noteikt piesārņotāja stāvokļa iespējamības sadalījumu noteiktā laikā vai telpā. Pēc tam ekstrapolējiet šo varbūtības sadalījumu, ņemot vērā to, ka tas ir vienāds visā šī ūdens un ūdens laika laikā.

Dinamiskos modeļos tiek pieņemts, ka piesārņojuma uzvedības varbūtības var mainīties laikā un telpā. Kvazi-dinamiskie modeļi veic analīzes daļās un rada daļēju tuvināšanu sistēmas dinamikai.

Ir programmas, kas var darboties gan dinamiskos, gan kvazi-dinamiskos modeļos.

Dimensija

Atkarībā no modeļa aplūkotajiem telpiskajiem izmēriem ir dimensiju, viendimensijas (1D), divdimensiju (2D) un trīsdimensiju (3D).

Bezdimensiju modelis uzskata, ka nesējs ir viendabīgs visos virzienos. 1D modelis var aprakstīt telpisko variāciju gar upi, bet ne tā šķērsgriezumā vai vertikāli. 2D modelis ņems vērā divas no šīm dimensijām, bet 3D - tajās būs iekļautas visas.

Piemēri

Izmantojamā modeļa veids ir atkarīgs no pētāmā ūdens līmeņa un pētījuma mērķa, un tas ir jākalibrē katram konkrētam stāvoklim. Turklāt jāņem vērā informācijas pieejamība un procesi, kurus vēlaties modelēt.

Tālāk ir aprakstīti daži piemēri ūdens kvalitātes pētījumiem upēs, upēs un ezeros:

QUAL2K un QUAL2Kw modelis (ūdens kvalitātes modelis)

Simulē visus ūdens kvalitātes mainīgos ar simulētu nemainīgu plūsmu. Simulē divus BOD līmeņus, lai izstrādātu upes vai pašreizējās spējas scenārijus organisko piesārņotāju degradācijai.

Šis modelis arī ļauj modelēt iegūto oglekļa, fosfora, slāpekļa, neorganisko cietvielu, fitoplanktona un detritu daudzumu. Līdzīgi simulē arī izšķīdušā skābekļa daudzumu, kas paredz iespējamās eitrofikācijas problēmas.

Netieši tiek prognozēti arī citi mainīgie lielumi, piemēram, pH vai spēja likvidēt patogēnus.

STREETER-PHELPS modelis

Tas ir ļoti noderīgs modelis, lai novērtētu konkrētas piesārņojošās vielas koncentrācijas ietekmi uz noplūdes ietekmi uz upi.

Viens no piesārņotājiem, kas rada nozīmīgāku ietekmi, ir organiskā viela, tāpēc informatīvākais mainīgais šajā modelī ir pieprasījums pēc izšķīdušā skābekļa. Tāpēc tas ietver matemātisku formulējumu galvenajiem procesiem, kas saistīti ar izšķīdušo skābekli upē.

MIKE11 modelis

Simulē dažādus procesus, piemēram, organisko vielu noārdīšanos, fotosintēzi un ūdens augu elpošanu, nitrifikāciju un skābekļa apmaiņu. To raksturo piesārņojošo vielu transformācijas un izkliedes procesi.

RIOS modelis

Šis modelis tika izstrādāts, ņemot vērā upju baseinu apsaimniekošanu un apvienojot biofizikālos, sociālos un ekonomiskos datus.

Izveido noderīgu informāciju, lai plānotu sanācijas pasākumus, un ietver tādus parametrus kā izšķīdušais skābeklis, BOD, koliformas un toksisko vielu analīze.

QUASAR modelis (kvalitātes simulācija gar upes sistēmām)

Upe tiek modelēta atsevišķi sekcijās, ko nosaka pietekas, poligoni un publiskās tirdzniecības vietas, kas ierodas vai izbrauc no tā.

Citu parametru vidū aplūkojiet plūsmas ātrumu, temperatūru, pH, BOD un amonjaka nitrātu koncentrāciju, Escherichia coli, un izšķīdušais skābeklis.

WASP (ūdens kvalitātes analīzes simulācijas programma)

Jūs varat vērsties pie ūdens ķermeņa izpētes dažādos izmēros (1D, 2D vai 3D). Lietojot to, lietotājs var izvēlēties laika gaitā ievadīt nemainīgus vai mainīgus kinētiskās transporta procesus.

Ir iespējams iekļaut punktveida un ne-punktveida atkritumu novadīšanu, un to pielietojums ietver vairākus fiziskās, ķīmiskās un bioloģiskās modelēšanas veidus. Šeit jūs varat iekļaut dažādus aspektus, piemēram, eitrofikāciju un toksiskas vielas.

AQUASIM modelis

Šo modeli izmanto, lai izpētītu ūdens kvalitāti upēs un ezeros. Tas darbojas kā plūsmas diagramma, kas ļauj simulēt lielu skaitu parametru.

Atsauces

  1. Castro-Huertas MA (2015) QUAL2KW pielietojums Guacaica upes ūdens kvalitātes modelēšanā, Caldas departamentā Kolumbijā. Grādu darbs Kolumbijas Nacionālās universitātes Inženierzinātņu un arhitektūras fakultāte, Ķīmijas tehnoloģijas katedra. Kolumbija 100 lpp.
  2. Di Toro DM, JJ Fitzpatrick yRV Thomann (1981) Ūdens kvalitātes analīzes modelēšanas programma (WASP) un modeļa verifikācijas programma (MVP) - dokumentācija. Hydroscience, Inc., Westwood, NY, ASV EPA, Duluth, MN, Līgums Nr. 68-01-3872.
  3. López-Vázquez CM, G Buitrón-Méndez, HA García un FJ Cervantes-Carrillo (red.) (2017). Notekūdeņu bioloģiskā apstrāde. Principi, modelēšana un dizains. IWA Publishing. 580 lpp.
  4. Matovelle C (2017) Ūdens kvalitātes matemātiskais modelis, ko piemēro Tabacay upes mikrobazī. Killkana tehniskais pārskats 1: 39-48.
  5. Ordoñez-Moncada J un M Palacios-Quevedo (2017) Ūdens kvalitātes modelis. Dienvidu Savienības ceļa koncesionārs. SH konsorcijs Double Road Rumichaca-Pasture. Nariño departaments. HSE, Vides konsultācijas un inženierzinātnes S.A.S. 45 lpp.
  6. Reichert P (1998) AQUASIM 2.0 - lietotāja rokasgrāmata, datorprogramma ūdens sistēmu identifikācijai un simulācijai, Šveices Federālais vides zinātnes un tehnoloģiju institūts (EAWAG), Šveice.
  7. Rendón-Velázquez CM (2013) Ūdens kvalitātes matemātiskie modeļi ezeros un rezervuāros. Promocijas darbs Inženierzinātņu skola. Meksikas autonomā universitāte. Meksika, D.F. 95 lpp.