Milliseid mudeleid tuleks vee kvaliteedi uurimisel rakendada?



Veekvaliteedi mudelid on matemaatilised koostised, mis simuleerivad saasteainete käitumist ja mõju vees. Selles mõttes esitatakse saasteainete mõju võimalikud stsenaariumid, kasutades erinevaid valemeid, mis algavad teatud parameetritest ja muutujatest.

Sõltuvalt saastumise allikast ja veekogust, mida soovite hinnata, on erinevad veekvaliteedi mudelid. Need mudelid koosnevad matemaatilistest algoritmidel põhinevatest arvutiprogrammidest.

Mudelid integreerivad erinevate muutujate ja tegurite väliandmed ning teatavad sisenemistingimused. Nende andmete põhjal genereerivad mudelid võimalikke stsenaariume, ekstrapoleerides andmeid ajalises ja ruumis tõenäosuste põhjal.

Kõige informatiivsem parameeter veekogu saastumise hindamiseks on biokeemiline hapnikutarve (BOD). Enamik mudeleid sisaldavad BSP variatsiooni hindamist nende stsenaariumide genereerimise kriteeriumina.

Valitsused on kehtestanud veekvaliteedi eeskirjad, mis peavad olema täidetud, et saada loa potentsiaalselt saastavate tegevuste teostamiseks. Selles mõttes on mudelid kasulikud vahendid, et mõista võimalikku mõju konkreetse tegevuse veekvaliteedile.

Indeks

  • 1 Matemaatiline alus
    • 1.1 Parameetrid
  • 2 Klassifikatsioon
    • 2.1 Dünaamika
    • 2.2 Mõõde
  • 3 Näited
    • 3.1 Mudel QUAL2K ja QUAL2Kw (veekvaliteedi mudel)
    • 3.2 STREETER-PHELPSi mudel
    • 3.3 MIKE11 mudel
    • 3.4 RIOS mudel
    • 3.5 QUASAR mudel (kvaliteedisimulatsioon jõesüsteemides)
    • 3.6 WASP (vee kvaliteedi analüüsi simulatsiooniprogramm)
    • 3.7 AQUASIM mudel
  • 4 Viited

Matemaatiline alus

Veekvaliteedi käitumise prognoosimiseks kasutatavad mudelid põhinevad diferentsiaalvõrranditel. Need võrrandid seovad teatud funktsiooni muutuse suuruse muutuse suurusega teises.

Veekvaliteedi mudelites kasutatakse mittelineaarseid diferentsiaalvõrrandeid, sest vee saastumise protsessid on keerulised (nad ei reageeri lineaarsele põhjus-seosele).

Parameetrid

Teatud mudeli rakendamisel tuleb arvesse võtta mitmeid parameetreid.

Üldiselt hinnatakse põhiparameetreid, nagu bioloogiline hapnikutarve (BOD), keemiline hapnikutarve (COD), lämmastik ja fosfor..

BOD on üks tähtsamaid reostusnäitajaid, kuna suured väärtused näitavad suurt hulka mikroorganisme. COD näitab omakorda hapniku kogust, mis on vajalik orgaanilise aine oksüdeerimiseks keemiliste vahendite abil.

Hinnatavad parameetrid sõltuvad veekogu tüübist, olgu see siis läätsed (järved, laguunid, sood) või lootused (jõed, ojad). Samuti peaks see arvestama voolu, kaetud ala, vee mahtu, temperatuuri ja kliimat.

Samuti on vaja arvestada hinnatavast saasteallikast, kuna iga saasteaine käitumine ja mõju on erinevad.

Veekogusse sattuvate heitmete puhul võetakse arvesse heite tüüpi, selle sisaldavaid saasteaineid ja selle mahtu..

Klassifikatsioon

On mitmeid matemaatilisi mudeleid, mis simuleerivad saasteainete käitumist veekogudes. Neid võib klassifitseerida sõltuvalt protsessi tüübist, mida nad peavad (füüsikalised, keemilised, bioloogilised) või lahuse meetodi tüübist (empiiriline, ligikaudne, lihtsustatud)..

Nende mudelite klassifitseerimisel võetakse arvesse dünaamikat ja dimensiooni.

Dünaamika

Statsionaarsed mudelid leiavad, et piisab saasteaine oleku tõenäosusjaotuse kindlakstegemisest teataval ajal või ruumis. Seejärel ekstrapoleerige see tõenäosusjaotus, arvestades seda, et see võrdub kogu selle veekogu aja ja ruumiga.

Dünaamilistes mudelites eeldatakse, et saasteainete käitumise tõenäosused võivad aja ja ruumi muutuda. Kvaasi-dünaamilised mudelid teostavad analüüse osades ja genereerivad osaliselt süsteemi dünaamika.

On programme, mis võivad töötada nii dünaamilistes kui ka kvaasi-dünaamilistes mudelites.

Mõõtmelisus

Sõltuvalt mudeli poolt vaadatavatest ruumilistest mõõtmetest on mõõtmeteta, ühemõõtmeline (1D), kahemõõtmeline (2D) ja kolmemõõtmeline (3D).

Mõõtmeteta mudel leiab, et keskkond on kõigis suundades homogeenne. 1D mudel võib kirjeldada ruumilist variatsiooni piki jõge, kuid mitte selle ristlõikes ega vertikaalselt. 2D mudel kaalub kahte neist mõõtmetest, samal ajal kui 3D hõlmab kõiki neid.

Näited

Kasutatava mudeli liik sõltub uuritavast veekogust ja uuringu eesmärgist ning see tuleb kalibreerida iga konkreetse seisundi jaoks. Lisaks tuleb arvesse võtta teabe kättesaadavust ja protsesse, mida soovite modelleerida.

Allpool on kirjeldatud näiteid jõgede, ojade ja järvede veekvaliteedi uuringute mudelitest:

Mudel QUAL2K ja QUAL2Kw (veekvaliteedi mudel)

Simuleerib kõiki vee kvaliteedi muutujaid simuleeritud konstantse voolu all. Simuleerib BSP kahte taset, et töötada välja jõe stsenaariumid või praegused võimed orgaaniliste saasteainete lagundamiseks.

See mudel võimaldab ka simuleerida saadud süsiniku, fosfori, lämmastiku, anorgaaniliste tahkete ainete, fütoplanktoni ja detriidi kogust. Samamoodi simuleerib lahustunud hapniku kogust, mis ennustab võimalikke eutrofeerumise probleeme.

Ka teised muutujad, nagu pH või võime patogeenide kõrvaldamiseks, on kaudselt prognoositud.

STREETER-PHELPSi mudel

See on väga kasulik mudel, et hinnata konkreetse saasteaine kontsentratsiooni käitumist voolava jõe mõjul jõe suunas.

Üks olulisemaid mõjusid tekitavaid saasteaineid on orgaaniline aine, seega on selle mudeli kõige informatiivsem muutuja lahustunud hapniku nõudlus. Seega hõlmab see jões lahustunud hapnikuga seotud peamiste protsesside matemaatilist sõnastust.

MIKE11 mudel

Simuleerib erinevaid protsesse, nagu orgaanilise aine lagunemine, fotosüntees ja veetaimede hingamine, nitrifikatsioon ja hapniku vahetus. Seda iseloomustab saasteainete transformatsiooni ja dispersiooni protsesside simuleerimine.

RIOS mudel

See mudel on loodud veekogude majandamise kontekstis ning ühendab biofüüsikalisi, sotsiaalseid ja majanduslikke andmeid.

Loob heastamismeetmete kavandamiseks kasulikku teavet ja sisaldab selliseid parameetreid nagu lahustunud hapnik, BOD, kolibakterid ja toksiliste ainete analüüs.

QUASAR mudel (kvaliteedisimulatsioon jõesüsteemides)

Jõgi modelleeritakse eraldi sektsioonideks, mis on määratletud lisajõgede, prügilate ja sealt väljuvate või sealt väljuvate avalike müügikohtade poolt..

Kaaluge teiste parameetrite hulgas voolukiirust, temperatuuri, pH, BOD ja ammoniaagi nitraatide kontsentratsiooni, Escherichia coli, ja lahustunud hapnik.

WASP (vee kvaliteedi analüüsi simulatsiooniprogramm)

Saate läheneda veekogu uuringule erinevates mõõtmetes (1D, 2D või 3D). Kasutades seda saab kasutaja valida, kas sisestada aja jooksul pidevaid või muutuvaid kineetilisi transpordiprotsesse.

Punkti- ja mittepunktide jäätmete heidet võib lisada ja nende rakendused hõlmavad mitmeid füüsilise, keemilise ja bioloogilise modelleerimise raamistikke. Siia võite lisada erinevaid aspekte, nagu eutrofeerumine ja mürgised ained.

Mudel AQUASIM

Seda mudelit kasutatakse veekvaliteedi uurimiseks jõgedes ja järvedes. See toimib vooskeemina, mis võimaldab simuleerida suurt hulka parameetreid.

Viited

  1. Castro-Huertas MA (2015) QUAL2KW rakendamine Guacaica jõe veekvaliteedi modelleerimisel, Caldase departemang Kolumbias. Kraadiõpe Kolumbia Riiklik Ülikool, Inseneri- ja arhitektuuri teaduskond, Keemiatehnika osakond. Colombia 100 lk.
  2. Di Toro DM, JJ Fitzpatrick yRV Thomann (1981) Vee kvaliteedi analüüsi simulatsiooniprogramm (WASP) ja mudelitõendamise programm (MVP) - dokumentatsioon. Hydroscience, Inc., Westwood, NY, USA jaoks EPA, Duluth, MN, leping nr 68-01-3872.
  3. López-Vázquez CM, G Buitrón-Méndez, HA García ja FJ Cervantes-Carrillo (toimetajad) (2017). Reovee bioloogiline töötlemine. Põhimõtted, modelleerimine ja disain. IWA Publishing. 580 lk.
  4. Matovelle C (2017) Tabacay jõe mikrobasiinis kasutatava vee kvaliteedi matemaatiline mudel. Killkana tehniline ülevaade 1: 39-48.
  5. Ordoñez-Moncada J ja M Palacios-Quevedo (2017) Vee kvaliteedi mudel. Lõuna-liidu maantee kontsessiooni saaja. SH konsortsium Double Road Rumichaca-Karjamaa. Nariño osakond. HSE, keskkonnaalane nõustamine ja inseneriteadus S.A.S. 45 lk.
  6. Reichert P (1998) AQUASIM 2.0 - kasutusjuhend, arvutiprogramm veesüsteemide identifitseerimiseks ja simuleerimiseks, Šveitsi Föderaalne Keskkonnauuringute Instituut (EAWAG), Šveits.
  7. Rendón-Velázquez CM (2013) Järvede ja veehoidlate vee kvaliteedi matemaatilised mudelid. Lõputöö Inseneriteaduskond. Mehhiko riiklik autonoomne ülikool. Mehhiko, D.F. 95 lk.