TYYPIT MALLEJA, JOITA SOVELLETAAN VEDEN LAADUN TUTKIMUKSEEN - YMPÄRISTÖ - 2025

Veden laadun mallit ovat matemaattisia formulaatioita, jotka simuloivat epäpuhtauksien käyttäytymistä ja vaikutuksia vedessä. Tässä mielessä mahdolliset epäpuhtauksien vaikutusskenaariot esitetään käyttämällä erilaisia ​​kaavoja, jotka alkavat tietyistä parametreista ja muuttujista.

Veden laadun malleja on erilaisia, riippuen saastumislähteestä ja arvioitavasta vesistöstä. Nämä mallit koostuvat matemaattisiin algoritmeihin perustuvista tietokoneohjelmista.

Veden laadun arviointi. Lähde: CSIRO

Mallit integroivat kenttätiedot eri muuttujista ja tekijöistä sekä tietyt syöttöolosuhteet. Näistä tiedoista mallit generoivat mahdolliset skenaariot, ekstrapoloimalla tietoja ajassa ja tilassa todennäköisyyksien perusteella.

Tietoisin parametri vesimuodostuman saastumisen arvioimiseksi on biokemiallinen hapenkulutus (BOD). Suurimpaan osaan malleja sisältyy arvio BOD: n variaatiosta kriteerinä niiden skenaarioiden luomiseksi.

Hallitukset ovat laatineet veden laatua koskevat määräykset, jotka on noudatettava, jotta voidaan saada luvat mahdollisesti pilaavien toimintojen suorittamiseksi. Tässä mielessä mallit ovat hyödyllinen työkalu ymmärtää tietyn toiminnan mahdollinen vaikutus veden laatuun.

Matemaattinen perusta

Veden laadun käyttäytymisen ennustamiseen käytetyt mallit perustuvat differentiaaliyhtälöihin. Nämä yhtälöt kuvaavat funktion muutoksen määrää toisen funktion muutoksen suuruuteen.

Epälineaarisia differentiaaliyhtälöitä käytetään veden laatumalleissa, koska veden pilaantumisprosessit ovat monimutkaisia ​​(ne eivät reagoi lineaariseen syy-seuraussuhteeseen).

parametrit

Tietyn mallin soveltamisessa on tarpeen ottaa huomioon joukko parametreja.

Yleisesti arvioidaan läsnä olevat perusparametrit, kuten biologinen hapenkulutus (BOD), kemiallinen hapenkulutus (COD), typpi ja fosfori.

BOD on yksi tärkeimmistä kontaminaatioindikaattoreista, koska korkeat arvot osoittavat suurta määrää mikro-organismeja. COD puolestaan ​​ilmaisee hapen määrän, joka tarvitaan hapettamaan orgaaninen aine kemiallisesti.

Arvioitavat parametrit riippuvat vesimuodostuman tyypistä, joko lentiisiä (järviä, lampia, soita) tai lotisia (joet, purot). Virtaus, peitetty pinta-ala, veden määrä, lämpötila ja ilmasto on myös otettava huomioon.

On myös tarpeen harkita arvioitavaa saastumislähdettä, koska jokaisella epäpuhtaudella on erilainen käyttäytyminen ja vaikutus.

Vettä päästettäessä päästötyyppi, sen sisältämät epäpuhtaudet ja tilavuus otetaan huomioon.

Luokittelu

Saasteiden käyttäytymistä vesistöissä on olemassa useita matemaattisia malleja. Ne voidaan luokitella prosessityypistä (fysikaalinen, kemiallinen, biologinen) tai ratkaisumenetelmästä riippuen (empiirinen, likimääräinen, yksinkertaistettu).

Näiden mallien luokittelussa huomioon otettavat tekijät ovat dynamiikka ja ulottuvuus.

Dynaaminen

Paikallisten mallien mukaan riittää, että määritetään epäpuhtauden tilan todennäköisyysjakauma tietyssä hetkessä tai tilassa. Myöhemmin hän ekstrapoloi kyseisen todennäköisyysjakauman pitäen sitä samana kyseisen vesimuodostuman koko ajan ja tilan välillä.

Dynaamisissa malleissa oletetaan, että epäpuhtauksien käyttäytymisen todennäköisyys voi muuttua ajassa ja tilassa. Kvasidynaamiset mallit suorittavat analyysin osittain ja tuottavat osittaisen lähentämisen järjestelmän dynamiikkaan.

On ohjelmia, jotka voivat toimia sekä dynaamisessa että lähes dynaamisessa mallissa.

dimensionality

Alueellisista ulottuvuuksista riippuen, joita malli huomioi, on ulottumattomia, yksiulotteisia (1D), kaksiulotteisia (2D) ja kolmiulotteisia (3D).

Mitaton malli pitää väliainetta homogeenisena kaikkiin suuntiin. 1D-malli voi kuvata joen pitkin tapahtuvaa alueellista vaihtelua, mutta ei sen pystysuunnassa tai poikkileikkauksessa. 2D-malli ottaa huomioon kaksi näistä ulottuvuuksista, kun taas 3D-malli sisältää ne kaikki.

esimerkit

Käytettävän mallin tyyppi riippuu tutkittavasta vesistöstä ja tutkimuksen tavoitteesta, ja se on kalibroitava kullekin tietylle tilalle. Lisäksi tiedon saatavuus ja mallinnettavat prosessit on otettava huomioon.

Seuraavassa kuvataan joitain esimerkkejä jokien, purojen ja järvien veden laadun tutkimuksen malleista:

QUAL2K ja QUAL2Kw (vedenlaatumalli)

Simuloi kaikkia veden laadun muuttujia simuloidussa vakiovirtauksessa. Simuloi kahta BOD-tasoa kehittääksesi skenaarioita joen tai puron kyvystä hajottaa orgaanisia epäpuhtauksia.

Tämä malli mahdollistaa myös simuloida syntynyttä määrää hiiltä, ​​fosforia, typpeä, epäorgaanisia kiinteitä aineita, kasviplanktonia ja detritusta. Samoin se simuloi liuenneen hapen määrää, mikä ennustaa mahdolliset rehevöitymisongelmat.

Myös muut muuttujat, kuten pH tai kyky eliminoida taudinaiheuttajia, ennustetaan epäsuorasti.

STREETER-PHELPS -malli

Se on erittäin hyödyllinen malli arvioida tietyn pilaavan aineen pitoisuuden käyttäytymistä joen päästöalueella.

Yksi epäpuhtauksista, joka tuottaa merkittävimmän vaikutuksen, on orgaaninen aine, joten tämän mallin informatiivisin muuttuja on liuenneen hapen tarve. Siksi se sisältää matemaattisen formulaation tärkeimmistä prosesseista, jotka liittyvät joen liuenneen hapen kanssa.

Malli MIKE11

Se simuloi erilaisia ​​prosesseja, kuten orgaanisen aineen hajoaminen, vesikasvien fotosynteesi ja hengitys, nitrifikaatio ja hapenvaihto. Sille on ominaista simuloida epäpuhtauksien muutos- ja hajontaprosesseja.

RIOS-malli

Tämä malli on suunniteltu vesistöalueiden hallinnan yhteydessä, ja siinä yhdistyvät biofysikaaliset, sosiaaliset ja taloudelliset tiedot.

Se tuottaa hyödyllistä tietoa kunnostamistoimenpiteiden suunnittelulle ja sisältää parametrit, kuten liuenneen hapen, BOD: n, koliformit ja myrkyllisten aineiden analyysit.

QUASAR-malli (laadun simulointi jokijärjestelmien varrella)

Joki on mallinnettu osioiksi, jotka määrittelevät joen saapuvia tai siitä lähteviä sivujokoja, vesistöjä ja julkisia saantia.

Muiden parametrien joukossa se ottaa huomioon ammoniakin, nitraattien, Escherichia colin ja liuenneen hapen virtauksen, lämpötilan, pH: n, BOD: n ja pitoisuuden.

WASP (veden laadun analyysin simulointiohjelma)

Voit lähestyä vesimuodostuman tutkimusta eri ulottuvuuksina (1D, 2D tai 3D). Sitä käyttäessään käyttäjä voi päästä syöttämään jatkuvia tai aikavaihtelevia kineettisiä kuljetusprosesseja.

Jätteiden päästöt jätehuoltoon ja muihin maihin voivat olla mukana, ja niiden sovellukset sisältävät erilaisia ​​fysikaalisia, kemiallisia ja biologisia mallinnuspuitteita. Tähän voidaan sisällyttää erilaisia ​​näkökohtia, kuten rehevöityminen ja myrkylliset aineet.

AQUASIM-malli

Tätä mallia käytetään tutkimaan veden laatua sekä joissa että järvissä. Se toimii kuten vuokaavio, joka antaa mahdollisuuden simuloida suurta määrää parametreja.

Viitteet

1. Castro-Huertas MA (2015) QUAL2KW: n soveltaminen Guacaica-joen vedenlaadun mallintamiseen, Caldasin osasto, Kolumbia. Tutkinto. Tekniikan ja arkkitehtuurin tiedekunta, Kemian tekniikan laitos, Kolumbian kansallinen yliopisto. Kolumbia. 100 s.
2. Di Toro DM, JJ Fitzpatrick ja RV Thomann (1981) Veden laadun analyysin simulointiohjelma (WASP) ja mallin varmennusohjelma (MVP) - dokumentaatio. Hydroscience, Inc., Westwood, NY, USA: n EPA: lle, Duluth, MN, sopimus nro 68-01-3872.
3. López-Vázquez CM, G Buitrón-Méndez, HA García ja FJ Cervantes-Carrillo (toim.) (2017). Biologinen jäteveden käsittely. Periaatteet, mallintaminen ja suunnittelu. IWA Publishing. 580 s.
4. Matovelle C (2017) Veden laadun matemaattinen malli, jota sovellettiin Tabacayn joen mikrotason alueella. Killkana Technical Magazine 1: 39-48.
5. Ordoñez-Moncada J ja M Palacios-Quevedo (2017) Veden laatumalli. Concesionaria Vial Unión del Sur. SH-konsortio. Tupla ajotie. Rumichaca-Pasto. Nariñon osasto. HSE, Asesoría ja Ingeniería Ambiental SAS 45 s.
6. Reichert P (1998) AQUASIM 2.0 - käyttöohje, tietokoneohjelma vesijärjestelmien tunnistamiseksi ja simuloimiseksi, Sveitsin liittovaltion ympäristötieteiden ja tekniikan instituutti (EAWAG), Sveitsi.
7. Rendón-Velázquez CM (2013) Järvien ja vesistöalueiden vedenlaadun matemaattiset mallit. Tutkielma. Tekniikanalan tiedekunta. Meksikon kansallinen autonominen yliopisto. Meksiko, DF 95 s.