RODZAJE MODELI, KTÓRE MAJĄ ZASTOSOWANIE DO BADANIA JAKOŚCI WODY - ŚRODOWISKO - 2026

Modele jakości wody to sformułowania matematyczne, które symulują zachowanie i skutki zanieczyszczeń w wodzie. W tym sensie przedstawiono możliwe scenariusze oddziaływania zanieczyszczeń przy użyciu różnych formuł, które wychodzą od określonych parametrów i zmiennych.

Istnieją różne modele jakości wody w zależności od źródła zanieczyszczenia i badanej części wód. Modele te składają się z programów komputerowych opartych na algorytmach matematycznych.

Ocena jakości wody. Źródło: CSIRO

Modele integrują dane terenowe z różnych zmiennych i czynników oraz pewne warunki wejściowe. Na podstawie tych danych modele generują możliwe scenariusze, ekstrapolując dane w czasie i przestrzeni w oparciu o prawdopodobieństwa.

Najbardziej pouczającym parametrem służącym do oceny zanieczyszczenia zbiornika wodnego jest biochemiczne zapotrzebowanie na tlen (BZT). Większość modeli uwzględnia oszacowanie zmienności BZT jako kryterium generowania ich scenariuszy.

Rządy ustanowiły przepisy dotyczące jakości wody, których należy przestrzegać, aby uzyskać pozwolenia na prowadzenie potencjalnie zanieczyszczającej działalności. W tym sensie modele są użytecznym narzędziem do zrozumienia możliwego wpływu danej działalności na jakość wody.

Podstawy matematyczne

Modele używane do prognozowania zachowania jakości wody oparte są na równaniach różniczkowych. Równania te wiążą wielkość zmiany jednej funkcji z wielkością zmiany innej.

Nieliniowe równania różniczkowe są stosowane w modelach jakości wody, ponieważ procesy zanieczyszczenia wody są złożone (nie odpowiadają liniowej zależności przyczynowo-skutkowej).

Parametry

Przy stosowaniu określonego modelu należy wziąć pod uwagę szereg parametrów.

Na ogół szacuje się podstawowe parametry, takie jak biologiczne zapotrzebowanie na tlen (BZT), chemiczne zapotrzebowanie na tlen (ChZT), obecność azotu i fosforu.

BZT jest jednym z najważniejszych wskaźników zanieczyszczenia, ponieważ wysokie wartości wskazują na dużą liczbę mikroorganizmów. Z kolei ChZT wskazuje ilość tlenu potrzebną do utlenienia materii organicznej za pomocą środków chemicznych.

Oceniane parametry zależą od rodzaju zbiorników wodnych: wód stojących (jeziora, stawy, bagna) lub lotic (rzeki, strumienie). Należy również wziąć pod uwagę przepływ, powierzchnię, objętość wody, temperaturę i klimat.

Konieczne jest również rozważenie źródła zanieczyszczenia, które ma zostać ocenione, ponieważ każde zanieczyszczenie ma inne zachowanie i skutek.

W przypadku zrzutów do jednolitej części wód bierze się pod uwagę rodzaj zrzutu, zawarte w nim zanieczyszczenia i ich objętość.

Klasyfikacja

Istnieje wiele modeli matematycznych do symulacji zachowania zanieczyszczeń w zbiornikach wodnych. Można je sklasyfikować w zależności od rodzaju rozpatrywanego procesu (fizyczny, chemiczny, biologiczny) lub rodzaju metody rozwiązania (empiryczna, przybliżona, uproszczona).

Czynniki brane pod uwagę przy klasyfikowaniu tych modeli to dynamika i wymiarowość.

Dynamiczny

Modele stacjonarne uznają, że wystarczy ustalić rozkład prawdopodobieństwa stanu zanieczyszczenia w danej chwili lub przestrzeni. Następnie ekstrapoluje ten rozkład prawdopodobieństwa, uznając go za taki sam w całym czasie i przestrzeni tego zbiornika wodnego.

W modelach dynamicznych zakłada się, że prawdopodobieństwo zachowania się zanieczyszczeń może zmieniać się w czasie i przestrzeni. Modele quasi-dynamiczne wykonują analizę w częściach i generują częściowe przybliżenie dynamiki układu.

Istnieją programy, które mogą działać zarówno w modelu dynamicznym, jak i quasi-dynamicznym.

Wymiarowość

W zależności od wymiarów przestrzennych, które bierze pod uwagę model, istnieją bezwymiarowe, jednowymiarowe (1D), dwuwymiarowe (2D) i trójwymiarowe (3D).

Model bezwymiarowy traktuje medium jako jednorodne we wszystkich kierunkach. Model 1D może opisywać zmienność przestrzenną wzdłuż rzeki, ale nie w jej przekroju pionowym lub poprzecznym. Model 2D będzie uwzględniał dwa z tych wymiarów, podczas gdy model 3D będzie zawierał je wszystkie.

Przykłady

Rodzaj używanego modelu zależy od badanej części wód oraz celu badania i należy go skalibrować dla każdego konkretnego warunku. Ponadto należy wziąć pod uwagę dostępność informacji i procesy, które mają być modelowane.

Poniżej opisano przykłady modeli do badań jakości wody w rzekach, potokach i jeziorach:

QUAL2K i QUAL2Kw (model jakości wody)

Symuluje wszystkie zmienne jakości wody w symulowanym stałym przepływie. Symuluje dwa poziomy BZT, aby opracować scenariusze zdolności rzeki lub strumienia do degradacji zanieczyszczeń organicznych.

Model ten umożliwia również symulację wynikowej ilości węgla, fosforu, azotu, nieorganicznych ciał stałych, fitoplanktonu i detrytusu. Podobnie symuluje ilość rozpuszczonego tlenu, co pozwala przewidzieć możliwe problemy z eutrofizacją.

Inne zmienne, takie jak pH lub zdolność do eliminacji patogenów, są również rzutowane pośrednio.

Model STREETER-PHELPS

Jest to bardzo przydatny model do oceny zachowania się stężenia określonego zanieczyszczenia w obszarze wpływu zrzutu do rzeki.

Jednym z zanieczyszczeń, które wywołują najbardziej znaczący wpływ, jest materia organiczna, więc najbardziej informacyjną zmienną w tym modelu jest zapotrzebowanie na rozpuszczony tlen. Dlatego zawiera matematyczne sformułowanie głównych procesów związanych z rozpuszczonym tlenem w rzece.

Model MIKE11

Symuluje różne procesy, takie jak degradacja materii organicznej, fotosynteza i oddychanie roślin wodnych, nitryfikacja i wymiana tlenu. Charakteryzuje się symulacją procesów przemian i dyspersji zanieczyszczeń.

Model RIOS

Model ten został zaprojektowany w kontekście zarządzania działem wodnym i łączy dane biofizyczne, społeczne i ekonomiczne.

Generuje przydatne informacje do planowania środków zaradczych i obejmuje takie parametry, jak rozpuszczony tlen, BZT, bakterie grupy coli oraz analiza substancji toksycznych.

Model QUASAR (symulacja jakości wzdłuż systemów rzecznych)

Rzeka jest modelowana z podziałem na odcinki, zdefiniowane przez dopływy, przelewy i publiczne ujęcia, które do niej wpływają lub z niej wypływają.

Uwzględnia między innymi przepływ, temperaturę, pH, BZT oraz stężenie amoniaku, azotanów, Escherichia coli i rozpuszczonego tlenu.

WASP (Program symulacji analizy jakości wody)

Możesz podejść do badania akwenów wodnych w różnych wymiarach (1D, 2D lub 3D). Korzystając z niego, użytkownik może wybrać wprowadzenie stałych lub zmiennych w czasie procesów transportu kinetycznego.

Punktowe i niepunktowe zrzuty odpadów mogą być uwzględnione, a ich zastosowania obejmują różne ramy modelowania fizycznego, chemicznego i biologicznego. Można tu uwzględnić różne aspekty, takie jak eutrofizacja i substancje toksyczne.

Model AQUASIM

Model ten służy do badania jakości wody w rzekach i jeziorach. Działa jak schemat blokowy, umożliwiając symulację dużej liczby parametrów.

Bibliografia

1. Castro-Huertas MA (2015) Zastosowanie QUAL2KW w modelowaniu jakości wody w rzece Guacaica, departament Caldas, Kolumbia. Praca dyplomowa. Wydział Inżynierii i Architektury, Wydział Inżynierii Chemicznej, National University of Colombia. Kolumbia. 100 pkt.
2. Di Toro DM, JJ Fitzpatrick i RV Thomann (1981) Program symulacji analizy jakości wody (WASP) i program weryfikacji modelu (MVP) - dokumentacja. Hydroscience, Inc., Westwood, NY, dla US EPA, Duluth, MN, nr umowy 68-01-3872.
3. López-Vázquez CM, G Buitrón-Méndez, HA García i FJ Cervantes-Carrillo (red.) (2017). Biologiczne oczyszczanie ścieków. Zasady, modelowanie i projektowanie. Wydawnictwo IWA. 580 pkt.
4. Matovelle C (2017) Matematyczny model jakości wody zastosowany w mikrozlewisku rzeki Tabacay. Killkana Technical Magazine 1: 39-48.
5. Ordoñez-Moncada J i M Palacios-Quevedo (2017) Model jakości wody. Concesionaria Vial Unión del Sur. Konsorcjum SH. Droga dwujezdniowa. Rumichaca-Pasto. Departament Nariño. HSE, Asesoría e Ingeniería Ambiental SAS 45 str.
6. Reichert P (1998) AQUASIM 2.0 - Podręcznik użytkownika, program komputerowy do identyfikacji i symulacji systemów wodnych, Szwajcarski Federalny Instytut Nauk i Technologii Środowiska (EAWAG), Szwajcaria.
7. Rendón-Velázquez CM (2013) Matematyczne modele jakości wody w jeziorach i zbiornikach. Praca dyplomowa. Wydział Inżynierii. Narodowy Autonomiczny Uniwersytet Meksyku. Meksyk, DF 95 str.