Hvilke typer modeller skal anvendes til undersøgelsen af ​​vandkvaliteten?



Modellerne til vandkvalitet er matematiske formuleringer, som simulerer adfærdsmæssige virkninger og virkninger af forurenende stoffer i vand. I denne forstand fremlægges mulige scenarier af virkningen af ​​forurenende stoffer ved anvendelse af forskellige formler, der starter fra bestemte parametre og variabler.

Der er forskellige modeller af vandkvalitet afhængig af forureningskilden og den vandkilde, som du vil evaluere. Disse modeller består af computerprogrammer baseret på matematiske algoritmer.

Modellerne integrerer feltdata fra forskellige variabler og faktorer, samt visse indgangsbetingelser. Fra disse data genererer modellerne de mulige scenarier, ekstrapolering af data i tid og rum baseret på sandsynligheder.

Den mest informative parameter til vurdering af forurening af en vandmasse er den biokemiske oxygenbehov (BOD). De fleste modeller omfatter estimeringen af ​​BOD variation som et kriterium for at generere deres scenarier.

Regeringerne har indført vandkvalitetsbestemmelser, der skal opfyldes for at få tilladelser til udførelse af potentielt forurenende aktiviteter. På denne måde er modellerne et nyttigt redskab til at forstå den mulige indvirkning på vandkvaliteten af ​​en given aktivitet.

indeks

  • 1 Matematisk fundament
    • 1.1 Parametre
  • 2 klassificering
    • 2.1 Dynamik
    • 2.2 Dimensionalitet
  • 3 eksempler
    • 3.1 Model QUAL2K og QUAL2Kw (Vandkvalitetsmodel)
    • 3.2 Model STREETER-PHELPS
    • 3.3 Model MIKE11
    • 3.4 RIOS model
    • 3.5 kvasar model (kvalitetssimulering langs flodsystemer)
    • 3.6 WASP (Vandkvalitetsanalysesimuleringsprogram)
    • 3,7 AQUASIM model
  • 4 referencer

Matematisk fundament

De modeller, der anvendes til at forudsige vandkvaliteten, er baseret på differentialligninger. Disse ligninger vedrører mængden af ​​ændring af en bestemt funktion med størrelsen af ​​ændringen i en anden.

I vandkvalitet modeller bruges ikke-lineære differentialligninger, fordi fremgangsmåderne er kontaminering kompleks vand (ikke reagerer på en årsag-virkning lineær).

parametre

Ved anvendelse af en bestemt model er det nødvendigt at tage højde for en række parametre.

Generelt grundlæggende parametre som biologisk oxygenbehov (BOD), det kemiske iltforbrug (COD), er nitrogen og fosfor foreliggende anslået.

BOD er ​​en af ​​de vigtigste forureningsindikatorer, da høje værdier indikerer en stor mængde mikroorganismer. For sin del angiver COD mængden af ​​ilt, der er nødvendigt for at oxidere organisk materiale ved kemiske midler.

De parametre, der skal evalueres, afhænger af hvilken type vandkrop, det er lentisk (søer, laguner, sump) eller lotik (floder, vandløb). Det skal også tage højde for strømmen, arealet, mængden af ​​vand, temperatur og klima.

Det er også nødvendigt at overveje, at forureningskilden skal vurderes, da hver forurenende har en anden adfærd og virkning.

I tilfælde af udledninger i vandets krop betragtes den type afladning, forurenende stoffer, og dens volumen..

klassifikation

Der er talrige matematiske modeller til at simulere forureningenes forurening i vandkroppe. 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 mener, at det er tilstrækkeligt at fastslå sandsynlighedsfordelingen af ​​forureningsstedets tilstand på et givet tidspunkt eller rum. Efterfølgende ekstrapolere denne sandsynlighedsfordeling i betragtning af, at den er lige i al tid og rum i den vandkilde.

I dynamiske modeller antages det, at sandsynlighederne for forureningsadfærd kan ændre sig i tid og rum. De kvasidynamiske modeller udfører analyserne i dele og genererer en delvis tilnærmelse til systemets dynamik.

Der er programmer, der kan fungere i både dynamiske og quasi-dynamiske modeller.

dimensionalitet

Afhængigt af de rumlige dimensioner overveje modellen, der er dimensionsløs, endimensionale (1D), todimensionel (2D) og tredimensionale (3D).

En dimensionløs model mener, at mediet er homogent i alle retninger. En 1D-model kan beskrive rumlig variation langs en flod, men ikke i tværsnit eller lodret. En 2D-model vil overveje to af disse dimensioner, mens en 3D-en vil omfatte dem alle.

eksempler

Den type model, der skal anvendes, afhænger af den vandkilde, der skal undersøges, og formålet med undersøgelsen, og det skal kalibreres for hver enkelt tilstand. Desuden skal der tages hensyn til tilgængeligheden af ​​oplysninger og de processer, som du vil modelere.

Nogle eksempler på modeller for vandkvalitetsstudier i floder, vandløb og søer er beskrevet nedenfor:

Model QUAL2K og QUAL2Kw (Vandkvalitetsmodel)

Simulerer alle vandkvalitetsvariabler under en simuleret konstant strømning. Simulerer to niveauer af BOD for at udvikle scenarier over floden eller den nuværende kapacitet til nedbrydning af organiske forurenende stoffer.

Denne model tillader også at simulere den resulterende mængde kulstof, fosfor, nitrogen, uorganiske faste stoffer, fytoplankton og detritus. På samme måde simulerer mængden af ​​opløst oxygen, som forudsiger potentielle problemer med eutrofiering.

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

Model STREETER-PHELPS

Det er en meget nyttig model til at evaluere opførelsen af ​​koncentrationen af ​​et specifikt forurenende stof i indflydelse af et udslip til en flod.

Et af de forurenende stoffer, der producerer en mere signifikant effekt er organisk materiale, så den mest informative variabel i denne model er efterspørgslen efter opløst oxygen. Derfor indbefatter den en matematisk formulering af hovedprocesserne forbundet med opløst oxygen i en flod.

Model MIKE11

Simulerer forskellige processer som nedbrydning af organisk materiale, fotosyntese og respiration af vandplanter, nitrifikation og iltudveksling. Det er karakteriseret ved at simulere processerne for transformation og spredning af forurenende stoffer.

RIOS model

Denne model blev designet i forbindelse med vandforvaltning og kombinerer biofysiske, sociale og økonomiske data.

Genererer nyttige oplysninger til planlægning af afhjælpende foranstaltninger og omfatter parametre som opløst oxygen, BOD, coliformer og giftige stoffer analyse.

QUASAR Model (kvalitetssimulering langs flodsystemer)

Floden modelleres separat i sektioner, defineret af bifloder, lossepladser og offentlige forretninger, der ankommer eller afgår fra det.

Overvej blandt andre parametre strømningshastighed, temperatur, pH, BOD og koncentration af ammoniaknitrater, Escherichia coli, og opløst ilt.

WASP (Vandkvalitetsanalysesimuleringsprogram)

Du kan nærme undersøgelsen af ​​vandets krop i forskellige dimensioner (1D, 2D eller 3D). Når brugeren bruger det, kan brugeren vælge at indføre konstante eller variable kinetiske transportprocesser over tid.

Udledninger af punkt- og ikke-punktaffald kan medtages, og deres anvendelser omfatter flere rammer for fysisk, kemisk og biologisk modellering. Her kan du inkludere forskellige aspekter som eutrofiering og giftige stoffer.

Model AQUASIM

Denne model bruges til at studere vandkvaliteten i floder og søer. Det fungerer som et rutediagram, der giver mulighed for at simulere et stort antal parametre.

referencer

  1. Castro-Huertas MA (2015) Anvendelse af QUAL2KW i vandkvalitetsmodellering af Guacaica-floden, departementet Caldas, Colombia. Grad arbejde Fakultet for Ingeniør og Arkitektur, Institut for Kemiteknologi, National University of Colombia. Colombia. 100 s.
  2. Di Toro DM, Fitzpatrick JJ YRV Thomann (1981) Vand Kvalitet Analyse Simulation Program (WASP) og Model Verifikation Program (MVP) - Dokumentation. Hydroscience, Inc., Westwood, NY, for U.S. EPA, Duluth, MN, kontrakt nr. 68-01-3872.
  3. Lopez-Vazquez CM, G Buitrón-Méndez, HA og FJ García Cervantes-Carrillo (red.) (2017). Biologisk behandling af spildevand. Principper, modellering og design. IWA Publishing. 580 s.
  4. Matovelle C (2017) Matematisk model af vandkvalitet anvendt i mikrobassinet i Tabacay-floden. Killkana Technical Review 1: 39-48.
  5. Ordoñez-Moncada J og M Palacios-Quevedo (2017) Vandkvalitetsmodel. Southern Union Road Concessionaire. SH Konsortium Double Road Rumichaca-Pasto. Department of Nariño. HSE, Environmental Consulting and Engineering S.A.S. 45 s.
  6. P Reichert (1998) AQUASIM 2.0 - Brugervejledning computerprogram til identifikation og simulering af akvatiske systemer, Schweiziske Føderale Institut for Environmental Science and Technology (EAWAG), Schweiz.
  7. Rendón-Velázquez CM (2013) Matematiske modeller af vandkvalitet i søer og reservoirer. Speciale. School of Engineering. National Autonomous University of Mexico. Mexico, D.F. 95 s.