Поділитися:
Які типи моделей слід застосовувати до вивчення якості води?
Моделі якості води є математичними формулюваннями, які імітують поведінку і вплив забруднюючих речовин у воді. У цьому сенсі представлені можливі сценарії впливу забруднюючих речовин з використанням різних формул, що починаються з певних параметрів і змінних.
Існують різні моделі якості води залежно від джерела забруднення та водойми, які ви хочете оцінити. Ці моделі складаються з комп'ютерних програм на основі математичних алгоритмів.
Моделі об'єднують дані поля різних змінних і факторів, а також певні умови входу. З цих даних моделі генерують можливі сценарії, екстраполюючи дані у часі та просторі на основі ймовірностей.
Найбільш інформативним параметром для оцінки забруднення водойми є біохімічна потреба кисню (БПК). Більшість моделей включають оцінку варіації BOD як критерій для створення їх сценаріїв.
Уряди встановили норми щодо якості води, які повинні бути дотримані для отримання дозволів на виконання потенційно забруднюючих заходів. У цьому сенсі моделі є корисним інструментом для розуміння можливого впливу на якість води певної діяльності.
Індекс
- 1 Математична основа
- 1.1 Параметри
- 2 Класифікація
- 2.1 Динаміка
- 2.2
- 3 Приклади
- 3.1 Модель QUAL2K та QUAL2Kw (модель якості води)
- 3.2 Модель STREETER-PHELPS
- 3.3 Модель MIKE11
- 3.4 Модель RIOS
- 3.5 Модель QUASAR (моделювання якості вздовж річкових систем)
- 3.6 WASP (Програма моделювання якості води)
- 3.7 Модель AQUASIM
- 4 Посилання
Математична основа
Моделі, які використовуються для прогнозування поведінки якості води, ґрунтуються на диференціальних рівняннях. Ці рівняння пов'язують величину зміни певної функції з величиною зміни в іншій.
У моделях якості води використовуються нелінійні диференціальні рівняння, оскільки процеси забруднення води є складними (вони не реагують на лінійну причинно-наслідкову зв'язок).
Параметри
При застосуванні певної моделі необхідно враховувати ряд параметрів.
Загалом, оцінюються основні параметри, такі як біологічний попит на кисень (BOD), хімічний попит на кисень (COD), азот і фосфор..
БПК є одним з найважливіших показників забруднення, оскільки високі значення вказують на велику кількість мікроорганізмів. Зі свого боку, ГПК вказує кількість кисню, необхідного для окислення органічної речовини хімічними засобами.
Параметри, що підлягають оцінці, залежать від типу водойми, будь то лентичні (озера, лагуни, болота) або лотоси (річки, струмки). Слід також враховувати потік, покриті площі, об'єм води, температуру і клімат.
Також необхідно розглянути джерело забруднення, яке необхідно оцінити, оскільки кожен забруднювач має іншу поведінку та вплив.
У разі скидів у водойму розглядаються тип розряду, забруднюючі речовини, що містяться в ньому, та його об'єм..
Класифікація
Існують численні математичні моделі для моделювання поведінки забруднюючих речовин у водоймах. Вони можуть бути класифіковані в залежності від типу процесу, який вони вважають (фізичний, хімічний, біологічний) або типу методу розчину (емпіричний, приблизний, спрощений)..
Факторами, які враховуються для класифікації цих моделей, є динаміка і розмірність.
Динаміка
Стаціонарні моделі вважають, що достатньо встановити розподіл ймовірності стану забруднювача в даний момент часу або просторі. Потім екстраполювати таке розподіл ймовірностей, вважаючи його рівним за весь час і простір цього водоймища.
У динамічних моделях передбачається, що ймовірності поведінки забруднювачів можуть змінюватися у часі та просторі. Квазідинамічні моделі виконують аналізи по частинах і генерують часткове наближення до динаміки системи.
Існують програми, які можуть працювати як в динамічних, так і в квазі-динамічних моделях.
Мірність
Залежно від просторових розмірів, що розглядаються моделлю, є безрозмірні, одновимірні (1D), двовимірні (2D) і тривимірні (3D).
Безрозмірна модель вважає, що середовище є однорідним у всіх напрямках. Модель 1D може описувати просторові зміни уздовж річки, але не в її поперечному перерізі або вертикально. Двовимірна модель розглядатиме два з цих вимірів, в той час як 3D буде включати всі ці.
Приклади
Тип моделі, що буде використовуватися, залежить від досліджуваної води та мети дослідження, і вона повинна бути калібрована для кожного конкретного стану. Крім того, необхідно враховувати доступність інформації та процеси, які потрібно моделювати.
Нижче наведено приклади моделей досліджень якості води в річках, струмках та озерах:
Модель QUAL2K та QUAL2Kw (модель якості води)
Імітує всі змінні якості води під імітованим постійним потоком. Моделює два рівні БПК для розробки сценаріїв річкової або поточної потужності для погіршення органічних забруднювачів.
Ця модель також дозволяє імітувати отриману кількість вуглецю, фосфору, азоту, неорганічних твердих речовин, фітопланктону і детриту. Аналогічно імітується кількість розчиненого кисню, який прогнозує потенційні проблеми евтрофікації.
Інші змінні, такі як рН або здатність до усунення патогенів, також прогнозуються опосередковано.
Модель STREETER-PHELPS
Це дуже корисна модель для оцінки поведінки концентрації конкретного забруднювача в зоні впливу розливу на річку.
Одним із забруднювачів, що виробляють більш істотний ефект, є органічна речовина, тому найбільш інформативною змінною в цій моделі є потреба в розчиненому кисні. Тому він включає математичну постановку основних процесів, пов'язаних з розчиненим киснем у річці.
Модель MIKE11
Моделює різні процеси, такі як деградація органічної речовини, фотосинтез і дихання водних рослин, нітрифікація і обмін киснем. Характеризується моделюванням процесів перетворення та розсіювання забруднюючих речовин.
Модель RIOS
Ця модель була розроблена в контексті управління вододілами і поєднує біофізичні, соціальні та економічні дані.
Створює корисну інформацію для планування заходів з відновлення та включає такі параметри, як розчинений кисень, БПК, коліформ і аналіз токсичних речовин.
Модель QUASAR (моделювання якості вздовж річкових систем)
Річка моделюється окремо на ділянки, визначені притоками, звалищами та громадськими точками, які прибувають або відходять від неї.
Розглянемо серед інших параметрів швидкість потоку, температуру, рН, БПК і концентрацію нітратів аміаку, Escherichia coli, і розчинений кисень.
WASP (Програма моделювання аналізу якості води)
Можна підійти до вивчення водного тіла в різних розмірах (1D, 2D або 3D). При його використанні користувач може вибрати для введення постійних або змінних кінетичних процесів транспортування з плином часу.
Можуть бути включені розряди точкових і неточкових відходів, а їх застосування включає декілька рамок фізичного, хімічного та біологічного моделювання. Тут можна включити різні аспекти, такі як евтрофікація і токсичні речовини.
Модель AQUASIM
Ця модель використовується для вивчення якості води в річках і озерах. Він працює як блок-схема, що дозволяє імітувати велику кількість параметрів.
Список літератури
- Castro-Huertas MA (2015) Застосування QUAL2KW у моделюванні якості води річки Guacaica, департамент Caldas, Колумбія. Ступінь роботи Інженерно-архітектурний факультет, кафедра хімічної інженерії, Національний університет Колумбії. Колумбія 100 с.
- Di Toro DM, JJ Fitzpatrick yRV Thomann (1981) Програма аналізу моделювання якості води (WASP) та Програма верифікації моделей (MVP) - Документація. Hydroscience, Inc., Вествуд, штат Нью-Йорк, для США EPA, Duluth, MN, Контракт № 68-01-3872.
- López-Vázquez CM, G Buitrón-Méndez, HA García і FJ Cervantes-Carrillo (ред.) (2017). Біологічна очистка стічних вод. Принципи, моделювання та дизайн. Видавництво IWA. 580 стор.
- Matovelle C (2017) Математична модель якості води, що застосовується в мікробусинах річки Табачай. Технічний огляд Кілкана 1: 39-48.
- Ordoñez-Moncada J та M Palacios-Quevedo (2017) Модель якості води. Концесіонер Південного Союзу. Консорціум SH Подвійна дорога Румічака-пасовище. Департамент Наріньйо. HSE, екологічний консалтинг та інженерія S.A.S. 45 стор.
- Reichert P (1998) AQUASIM 2.0 - посібник користувача, комп'ютерна програма для ідентифікації та моделювання водних систем, Швейцарський федеральний інститут екології та технологій (EAWAG), Швейцарія.
- Rendón-Velázquez CM (2013) Математичні моделі якості води в озерах і водоймах. Дисертація Інженерна школа. Національний автономний університет Мексики. Мексика, Д.Ф. 95 стор.