Aké typy modelov by sa mali aplikovať na štúdium kvality vody?



Modely kvality vody sú matematické formulácie, ktoré simulujú správanie a účinky kontaminantov vo vode. V tomto zmysle sú prezentované možné scenáre vplyvu znečisťujúcich látok s použitím rôznych vzorcov, ktoré vychádzajú z určitých parametrov a premenných.

Existujú rôzne modely kvality vody v závislosti od zdroja kontaminácie a vodného útvaru, ktorý chcete vyhodnotiť. Tieto modely pozostávajú z počítačových programov založených na matematických algoritmoch.

Modely integrujú terénne údaje rôznych premenných a faktorov plus určité vstupné podmienky. Z týchto údajov modely generujú možné scenáre, extrapolujú údaje v čase a priestore na základe pravdepodobnosti.

Najviac informatívnym parametrom na posúdenie kontaminácie vodného útvaru je biochemická spotreba kyslíka (BSK). Väčšina modelov zahŕňa odhad variácie BSK ako kritéria na generovanie ich scenárov.

Vlády zaviedli predpisy o kvalite vody, ktoré musia byť splnené na získanie povolení na vykonávanie potenciálne znečisťujúcich činností. V tomto zmysle sú modely užitočným nástrojom na pochopenie možného vplyvu danej kvality na kvalitu vody.

index

  • 1 Matematické základy
    • 1.1 Parametre
  • 2 Klasifikácia
    • 2.1 Dynamika
    • 2.2 Rozmernosť
  • 3 Príklady
    • 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 (simulácia kvality pozdĺž riečnych systémov)
    • 3.6 WASP (Simulačný program analýzy kvality vody)
    • 3.7 Model AQUASIM
  • 4 Odkazy

Matematický základ

Modely používané na predpovedanie správania sa kvality vody sú založené na diferenciálnych rovniciach. Tieto rovnice sa týkajú množstva zmeny určitej funkcie s veľkosťou zmeny v inej.

V modeloch kvality vody sa používajú nelineárne diferenciálne rovnice, pretože procesy kontaminácie vody sú zložité (nereagujú na lineárny vzťah príčina-následok)..

parametre

Pri aplikácii určitého modelu je potrebné zohľadniť rad parametrov.

Vo všeobecnosti sa základné parametre odhadujú ako biologická spotreba kyslíka (BOD), chemická spotreba kyslíka (CHSK), prítomný dusík a fosfor..

BSK je jedným z najdôležitejších ukazovateľov znečistenia, pretože vysoké hodnoty naznačujú veľké množstvo mikroorganizmov. Zo svojej strany CHSK označuje množstvo kyslíka potrebného na oxidáciu organických látok chemickými prostriedkami.

Parametre, ktoré sa majú hodnotiť, závisia od typu vodného útvaru, či už lentického (jazerá, lagúny, močiare) alebo lotického (rieky, potoky). Mal by tiež zohľadňovať prietok, krytú plochu, objem vody, teplotu a klímu.

Je tiež potrebné zvážiť zdroj kontaminácie, ktorý sa má vyhodnotiť, pretože každá znečisťujúca látka má odlišné správanie a účinok.

V prípade vypúšťania do vodného útvaru sa berie do úvahy druh výtoku, kontaminanty, ktoré obsahuje a jeho objem..

klasifikácia

Existujú početné matematické modely na simuláciu správania znečisťujúcich látok vo vodných útvaroch. Môžu byť klasifikované v závislosti od typu procesu, ktorý zvažujú (fyzikálne, chemické, biologické) alebo typu metódy riešenia (empirický, približný, zjednodušený).

Faktory, ktoré sa berú do úvahy pri klasifikácii týchto modelov, sú dynamika a rozmernosť.

dynamický

Stacionárne modely sa domnievajú, že stačí určiť rozdelenie pravdepodobnosti stavu znečisťujúcej látky v danom čase alebo priestore. Následne, extrapolujte toto rozdelenie pravdepodobnosti vzhľadom na to, že je rovnaké vo všetkých časoch a priestore tohto vodného útvaru.

V dynamických modeloch sa predpokladá, že pravdepodobnosť správania znečisťujúcich látok sa môže meniť v čase a priestore. Kvázi-dynamické modely vykonávajú analýzy v častiach a generujú čiastočnú aproximáciu dynamiky systému.

Existujú programy, ktoré môžu pracovať v dynamických aj kvázi dynamických modeloch.

rozmerom

V závislosti od priestorových rozmerov uvažovaných v modeli existujú bezrozmerné, jednorozmerné (1D), dvojrozmerné (2D) a trojrozmerné (3D).

Bezrozmerný model sa domnieva, že médium je homogénne vo všetkých smeroch. 1D model môže popisovať priestorové variácie pozdĺž rieky, ale nie v jej priereze alebo vertikálne. 2D model zváži dva z týchto rozmerov, zatiaľ čo jeden z nich bude obsahovať všetky z nich.

Príklady

Typ modelu, ktorý sa má použiť, závisí od útvaru vody, ktorý sa má študovať, a od cieľa štúdie a musí sa kalibrovať pre každú konkrétnu podmienku. Okrem toho je potrebné zohľadniť dostupnosť informácií a procesy, ktoré chcete modelovať.

Nižšie sú opísané niektoré príklady modelov pre štúdie kvality vody v riekach, potokoch a jazerách:

Model QUAL2K a QUAL2Kw (model kvality vody)

Simuluje všetky premenné kvality vody pod simulovaným konštantným prietokom. Simuluje dve úrovne BSK na vytvorenie scenárov riečnej alebo súčasnej kapacity na degradáciu organických znečisťujúcich látok.

Tento model tiež umožňuje simulovať výsledné množstvo uhlíka, fosforu, dusíka, anorganických pevných látok, fytoplanktónu a detritu. Podobne simuluje množstvo rozpusteného kyslíka, čo predpovedá potenciálne problémy eutrofizácie.

Nepriamo sa premietajú aj iné premenné, ako je pH alebo schopnosť eliminovať patogény.

Model STREETER-PHELPS

Je to veľmi užitočný model na hodnotenie správania koncentrácie špecifickej znečisťujúcej látky v oblasti vplyvu úniku smerom k rieke..

Jedným zo znečisťujúcich látok, ktoré produkujú výraznejší účinok, je organická hmota, takže najviac informatívna premenná v tomto modeli je dopyt po rozpustenom kyslíku. Preto obsahuje matematickú formuláciu hlavných procesov spojených s rozpusteným kyslíkom v rieke.

Model MIKE11

Simuluje rôzne procesy, ako je degradácia organických látok, fotosyntéza a dýchanie vodných rastlín, nitrifikácia a výmena kyslíka. Je charakterizovaná simuláciou procesov transformácie a disperzie znečisťujúcich látok.

Model RIOS

Tento model bol navrhnutý v kontexte manažmentu povodí a kombinuje biofyzikálne, sociálne a ekonomické údaje.

Vytvára užitočné informácie na plánovanie nápravných opatrení a zahŕňa parametre ako analýza rozpusteného kyslíka, BSK, koliformných a toxických látok.

QUASAR Model (Simulácia kvality pozdĺž riečnych systémov)

Rieka je modelovaná oddelene do úsekov definovaných prítokmi, skládkami a verejnými predajňami, ktoré z nej prichádzajú alebo odchádzajú..

Medzi ďalšie parametre treba vziať do úvahy prietok, teplotu, pH, BSK a koncentráciu dusičnanov amoniaku, Escherichia coli, a rozpustený kyslík.

WASP (Simulačný program analýzy kvality vody)

K štúdiu vodného útvaru sa môžete priblížiť v rôznych rozmeroch (1D, 2D alebo 3D). Pri jeho používaní sa môže užívateľ rozhodnúť, či zadá konštantné alebo premenlivé kinetické transportné procesy v čase.

Zahrnúť možno aj výpary z bodových a bodových odpadov a ich aplikácie zahŕňajú niekoľko rámcov fyzikálneho, chemického a biologického modelovania. Tu môžete zahrnúť rôzne aspekty, ako napríklad eutrofizáciu a toxické látky.

Model AQUASIM

Tento model sa používa na štúdium kvality vody v riekach a jazerách. Pracuje ako vývojový diagram, ktorý umožňuje simulovať veľký počet parametrov.

referencie

  1. Castro-Huertas MA (2015) Aplikácia QUAL2KW v modelovaní kvality vody rieky Guacaica, departementu Caldas, Kolumbia. Študijná práca Fakulta strojárstva a architektúry, Katedra chemického inžinierstva, Národná univerzita Kolumbie. Colombia. 100 p.
  2. Di Toro DM, JJ Fitzpatrick yRV Thomann (1981) Program simulácie analýzy kvality vody (WASP) a program verifikácie modelov (MVP) - Dokumentácia. Hydroscience, Inc., Westwood, NY, USA EPA, Duluth, MN, zmluva č. 68-01-3872.
  3. López-Vázquez CM, G Buitrón-Méndez, HA García a FJ Cervantes-Carrillo (Eds.) (2017). Biologické čistenie odpadových vôd. Princípy, modelovanie a dizajn. Publikovanie IWA. 580 s.
  4. Matovelle C (2017) Matematický model kvality vody aplikovaný v mikrobazíne rieky Tabacay. Killkana Technical Review 1: 39-48.
  5. Ordoñez-Moncada J a M Palacios-Quevedo (2017) Model kvality vody. Dopravný koncesionár pre južnú úniu. SH Konzorcium Dvojitá cesta Rumichaca-Pasto. Oddelenie Nariño. HSE, environmentálne poradenstvo a inžinierstvo S.A.S. 45 s.
  6. Reichert P (1998) AQUASIM 2.0 - Používateľská príručka, počítačový program na identifikáciu a simuláciu vodných systémov, Švajčiarsky federálny inštitút pre vedu a techniku ​​životného prostredia (EAWAG), Švajčiarsko.
  7. Rendón-Velázquez CM (2013) Matematické modely kvality vody v jazerách a nádržiach. Práca. Strojárska škola. Národná autonómna univerzita v Mexiku. Mexiko, D.F. 95 s.