Millaisia ​​malleja tulisi soveltaa veden laadun tutkimukseen?



Veden laadun mallit ovat matemaattisia formulaatioita, jotka simuloivat veden epäpuhtauksien käyttäytymistä ja vaikutuksia. Tässä mielessä esitetään mahdolliset epäpuhtauksien vaikutusten skenaariot käyttäen erilaisia ​​kaavoja, jotka alkavat tietyistä parametreista ja muuttujista.

Veden laadun malleja on erilaisia ​​riippuen kontaminaation lähteestä ja vesistöstä, jota haluat arvioida. Nämä mallit koostuvat matemaattisiin algoritmeihin perustuvista tietokoneohjelmista.

Mallit yhdistävät kenttätiedot eri muuttujista ja tekijöistä sekä tietyt tulo-olosuhteet. Näistä tiedoista mallit tuottavat mahdollisia skenaarioita, ekstrapoloivat tietoja ajassa ja tilassa todennäköisyyksien perusteella.

Informatiivisin parametri vesistöjen saastumisen arvioimiseksi on biokemiallinen hapenkulutus (BOD). Useimmissa malleissa arvioidaan BOD-vaihtelua kriteerinä niiden skenaarioiden luomiseksi.

Hallitukset ovat vahvistaneet veden laatua koskevat määräykset, jotka on täytettävä lupien hankkimiseksi mahdollisesti saastuttavien toimintojen toteuttamiseksi. Tässä mielessä mallit ovat hyödyllinen keino ymmärtää mahdollisen vaikutuksen tietyn toiminnan veden laatuun.

indeksi

  • 1 Matemaattinen perusta
    • 1.1 Parametrit
  • 2 Luokitus
    • 2.1 Dynamiikka
    • 2.2 Mittasuhde
  • 3 Esimerkkejä
    • 3.1 Malli QUAL2K ja QUAL2Kw (veden laatu malli)
    • 3.2 Malli STREETER-PHELPS
    • 3.3 Malli MIKE11
    • 3.4 RIOS-malli
    • 3.5 QUASAR-malli (laadun simulointi joen järjestelmien rinnalla)
    • 3.6 WASP (veden laadun analysointi simulointiohjelma)
    • 3.7 AQUASIM-malli
  • 4 Viitteet

Matemaattinen perusta

Veden laadun käyttäytymisen ennustamiseen käytetyt mallit perustuvat differentiaaliyhtälöihin. Nämä yhtälöt liittyvät tietyn toiminnon muutoksen määrään muutoksen suuruuteen toisessa.

Veden laadun malleissa epälineaarinen ero yhtälöitä käytetään, koska ovat monimutkaisia ​​saastumista (eivät reagoi syy-seuraus-lineaarinen).

parametrit

Tiettyä mallia sovellettaessa on otettava huomioon joukko parametreja.

Yleensä perusparametrit, kuten biologisen hapenkulutuksen (BOD), kemiallinen hapenkulutus (COD), typen ja fosforin läsnä on arvioitu.

BOD on yksi tärkeimmistä pilaantumisen indikaattoreista, koska korkeat arvot osoittavat suuren määrän mikro-organismeja. COD puolestaan ​​osoittaa hapen määrän, joka tarvitaan orgaanisen aineen hapettamiseksi kemiallisilla keinoilla.

Arvioitavat parametrit riippuvat veden tyypistä, olipa kyseessä lentis (järvet, laguunit, suot) tai lotio (joet, purot). Siinä olisi myös otettava huomioon virtaus, katettu alue, veden määrä, lämpötila ja ilmasto.

On myös tarpeen tarkastella arvioitavan saastumisen lähteenä, koska jokaisella epäpuhtaudella on erilainen käyttäytyminen ja vaikutus.

Jos vesistöön joutuu päästöjä, tarkastellaan purkaustyyppiä, sen sisältämiä epäpuhtauksia ja sen tilavuutta..

luokitus

On olemassa lukuisia matemaattisia malleja, joilla simuloidaan epäpuhtauksien käyttäytymistä vesistöissä. Ne voidaan luokitella sen mukaan, millaisesta prosessista ne katsovat (fyysiset, kemialliset, biologiset) tai liuoksen menetelmän tyypin (empiirinen, likimääräinen, yksinkertaistettu).

Näiden mallien luokittelussa huomioon otettavat tekijät ovat dynamiikka ja ulottuvuus.

dynaaminen

Kiinteät mallit katsovat, että riittää, että määritetään epäpuhtauden tilan todennäköisyysjakauma tietyssä ajassa tai tilassa. Tämän jälkeen ekstrapoloidaan tämä todennäköisyysjakauma, kun otetaan huomioon, että se on yhtä suuri kuin koko vesistö.

Dynaamisissa malleissa oletetaan, että epäpuhtauksien käyttäytymisen todennäköisyydet voivat muuttua ajassa ja avaruudessa. Kvasi-dynaamiset mallit suorittavat analyysit osissa ja tuottavat osittaisen lähentymisen järjestelmän dynamiikkaan.

On ohjelmia, jotka voivat toimia sekä dynaamisissa että kvasi-dynaamisissa malleissa.

dimensionality

Riippuen tilallisia ulottuvuuksia Tarkastellaan mallia, on dimensioton, yksiulotteista (1D), kaksiulotteinen (2D) ja kolmiulotteinen (3D).

Mitattomat mallit katsovat, että väliaine on homogeeninen kaikissa suunnissa. 1D-malli voi kuvata avaruuden vaihtelua jokea pitkin, mutta ei sen poikkileikkauksessa tai pystysuorassa. 2D-malli harkitsee kahta näistä ulottuvuuksista, kun taas 3D sisältää kaikki ne.

esimerkit

Käytettävän mallin tyyppi riippuu tutkittavasta vesimuodostumasta ja tutkimuksen tavoitteesta, ja se on kalibroitava jokaisen tietyn tilan osalta. Lisäksi on otettava huomioon tiedon saatavuus ja prosessit, joita haluat mallintaa.

Seuraavassa kuvataan esimerkkejä joen, puron ja järvien vedenlaadun tutkimusten malleista:

Malli QUAL2K ja QUAL2Kw (veden laatu malli)

Simuloi kaikki veden laadun muuttujat simuloidun vakiovirran alla. Simuloi BOD: n kahta tasoa, jotta voidaan kehittää skenaarioita joki- tai nykyisestä kapasiteetista hajottaa orgaanisia epäpuhtauksia.

Tämä malli sallii myös simuloida tuloksena olevan määrän hiiltä, ​​fosforia, typpeä, epäorgaanisia kiintoaineita, fytoplanktonia ja detriittia. Samoin simuloi liuenneen hapen määrää, joka ennustaa mahdollisia rehevöitymisongelmia.

Muita muuttujia, kuten pH tai kyky poistaa patogeenejä, ennustetaan myös epäsuorasti.

Malli STREETER-PHELPS

On erittäin hyödyllistä arvioida tietyn pilaavan aineen pitoisuuden käyttäytymistä alueella, jossa vuoto vaikuttaa jokeen.

Yksi merkittävämpiä vaikutuksia tuottavista epäpuhtauksista on orgaaninen aine, joten tämän mallin informatiivisin muuttuja on liuenneen hapen kysyntä. Siksi se sisältää matemaattisen muotoilun pääprosesseista, jotka liittyvät liuenneeseen happeen joessa.

Malli MIKE11

Simuloi erilaisia ​​prosesseja, kuten orgaanisen aineen hajoamista, fotosynteesiä ja vesikasvien hengitystä, nitrifikaatiota ja hapenvaihtoa. Sille on tunnusomaista pilaavien aineiden muuntamisen ja hajottamisen prosessit.

RIOS-malli

Tämä malli suunniteltiin vesistöön johtamisen yhteydessä ja yhdistää biofyysiset, sosiaaliset ja taloudelliset tiedot.

Luo hyödyllisiä tietoja korjaustoimenpiteiden suunnittelemiseksi ja sisältää parametreja, kuten liuenneen hapen, BOD: n, koliformien ja toksisten aineiden analyysin.

QUASAR-malli (laadun simulointi joen järjestelmien rinnalla)

Joki mallinnetaan erikseen osastoiksi, jotka määrittelevät sivut, kaatopaikat ja julkiset myyntipisteet, jotka saapuvat tai poistuvat siitä.

Tarkastellaan muun muassa virtausnopeutta, lämpötilaa, pH: ta, BOD: ta ja ammoniakin nitraattien pitoisuutta, Escherichia coli, ja liuenneen hapen.

WASP (veden laadun analysointi simulointiohjelma)

Voit lähestyä vesimuodostuman tutkimusta eri mitoissa (1D, 2D tai 3D). Käyttäessään sitä käyttäjä voi halutessaan siirtyä muuttumattomiin kineettisiin kuljetusprosesseihin ajan kuluessa.

Piste- ja ei-pistejätteiden päästöt voidaan sisällyttää ja niiden sovelluksiin sisältyy useita fyysisen, kemiallisen ja biologisen mallinnuksen puitteita. Siihen voi sisältyä erilaisia ​​näkökohtia, kuten rehevöitymistä ja myrkyllisiä aineita.

Malli AQUASIM

Tätä mallia käytetään veden laadun tutkimiseen jokien ja järvien alueella. Se toimii vuokaaviona, jonka avulla voidaan simuloida suuri määrä parametreja.

viittaukset

  1. Castro-Huertas MA (2015) QUAL2KW: n soveltaminen Guacaican joen Caldasin departementin veden laadun mallinnukseen. Tutkintotyö Tekniikan ja arkkitehtuurin tiedekunta, Kemian tekniikan laitos, Kolumbian kansallinen yliopisto. Kolumbiassa. 100 p.
  2. Di Toro DM, Fitzpatrick JJ YRV Thomannin (1981) Veden laatu analyysi Simulointi Program (WASP) ja Model -varmistusohjelmaan (MVP) - dokumentointi. Hydroscience, Inc., Westwood, NY, yhdysvaltalaisille EPA, Duluth, MN, Sopimus nro 68-01-3872.
  3. López-Vázquez CM, G Buitrón-Méndez, HA García ja FJ Cervantes-Carrillo (toim.) (2017). Jäteveden biologinen käsittely. Periaatteet, mallinnus ja suunnittelu. IWA Publishing. 580 p.
  4. Matovelle C (2017) Veden laadun matemaattinen malli, jota sovelletaan Tabacay-joen mikrobasiinissa. Killkana Technical Review 1: 39-48.
  5. Ordoñez-Moncada J ja M Palacios-Quevedo (2017) Vesilaatu. Eteläisen Union Road Concessionaire. SH-konsortio Double Road Rumichaca-Pasto. Nariñon laitos. HSE, Environmental Consulting and Engineering S.A.S. 45 s.
  6. P Reichert (1998) AQUASIM 2,0 - käyttöohje tietokoneohjelma tunnistus- ja simulointi vesistöissä, Swiss Federal Institute for Environmental Science and Technology (EAWAG), Sveitsi.
  7. Rendón-Velázquez CM (2013) Vesien laadun matemaattiset mallit järvissä ja vesistöissä. Tutkielma. Insinöörikoulu. Meksikon kansallinen autonominen yliopisto. Meksiko, D.F. 95 s.