Какие типы моделей следует применять для изучения качества воды?



Модели качества воды представляют собой математические формулировки, которые моделируют поведение и воздействие загрязняющих веществ в воде. В этом смысле представлены возможные сценарии воздействия загрязняющих веществ с использованием различных формул, которые начинаются с определенных параметров и переменных..

Существуют различные модели качества воды в зависимости от источника загрязнения и объема воды, которые вы хотите оценить. Эти модели состоят из компьютерных программ, основанных на математических алгоритмах.

Модели объединяют полевые данные различных переменных и факторов, а также определенные начальные условия. На основе этих данных модели генерируют возможные сценарии, экстраполируя данные во времени и пространстве на основе вероятностей..

Наиболее информативным параметром для оценки загрязнения водоема является биохимическая потребность в кислороде (БПК). Большинство моделей включают оценку изменения БПК в качестве критерия для создания своих сценариев.

Правительства установили правила качества воды, которые должны соблюдаться для получения разрешений на выполнение потенциально загрязняющих действий. В этом смысле модели являются полезным инструментом для понимания возможного влияния на качество воды данной деятельности..

индекс

  • 1 Математическое обоснование
    • 1.1 Параметры
  • 2 Классификация
    • 2.1 Динамика
    • 2.2 Размерность
  • 3 примера
    • 3.1 Модель QUAL2K и QUAL2Kw (Модель качества воды)
    • 3.2 Модель STREETER-PHELPS
    • 3.3 Модель MIKE11
    • 3.4 Модель RIOS
    • 3.5 Модель QUASAR (моделирование качества вдоль речных систем)
    • 3.6 WASP (Программа моделирования анализа качества воды)
    • 3.7 AQUASIM модель
  • 4 Ссылки

Математическая основа

Модели, используемые для прогнозирования поведения качества воды, основаны на дифференциальных уравнениях. Эти уравнения связывают величину изменения одной функции с величиной изменения другой.

В моделях качества воды используются нелинейные дифференциальные уравнения, поскольку процессы загрязнения воды являются сложными (они не реагируют на линейную причинно-следственную связь).

параметры

При применении определенной модели необходимо учитывать ряд параметров.

В целом, оцениваются основные параметры, такие как биологическая потребность в кислороде (БПК), химическая потребность в кислороде (ХПК), наличие азота и фосфора..

БПК является одним из наиболее важных индикаторов загрязнения, так как высокие значения указывают на большое количество микроорганизмов. Со своей стороны, ХПК указывает на количество кислорода, необходимое для окисления органических веществ химическими средствами..

Параметры, подлежащие оценке, зависят от типа водоема, будь то лентический (озера, лагуны, болота) или лотосный (реки, ручьи). Следует также принимать во внимание расход, площадь покрытия, объем воды, температуру и климат.

Также необходимо учитывать источник загрязнения, который должен быть оценен, поскольку каждый загрязнитель имеет свое поведение и воздействие..

В случае сброса в водоем учитываются тип сброса, содержащиеся в нем загрязняющие вещества и его объем..

классификация

Существует множество математических моделей для моделирования поведения загрязняющих веществ в водоемах. Их можно классифицировать в зависимости от типа процесса, который они рассматривают (физический, химический, биологический) или типа метода решения (эмпирический, приблизительный, упрощенный)..

Факторами, которые принимаются во внимание при классификации этих моделей, являются динамика и размерность.

динамический

Стационарные модели считают, что достаточно установить распределение вероятности состояния загрязнителя в данный момент времени или в определенном пространстве. Впоследствии, экстраполировать это распределение вероятностей, считая его равным во всем времени и пространстве этого водоема..

В динамических моделях предполагается, что вероятности поведения загрязнителей могут изменяться во времени и пространстве. Квазидинамические модели выполняют анализ по частям и генерируют частичное приближение к динамике системы.

Существуют программы, которые могут работать как в динамических, так и в квазидинамических моделях..

размерность

В зависимости от пространственных размеров, рассматриваемых моделью, существуют безразмерные, одномерные (1D), двумерные (2D) и трехмерные (3D).

Безразмерная модель считает, что среда однородна во всех направлениях. Одномерная модель может описывать пространственные изменения вдоль реки, но не в ее поперечном сечении или вертикали. 2D-модель будет учитывать два из этих измерений, а 3D-модель будет включать все из них..

примеров

Тип используемой модели зависит от исследуемого водоема и цели исследования, и его необходимо калибровать для каждого конкретного условия. Кроме того, необходимо учитывать доступность информации и процессы, которые вы хотите смоделировать..

Некоторые примеры моделей для исследования качества воды в реках, ручьях и озерах описаны ниже:

Модель QUAL2K и QUAL2Kw (Модель качества воды)

Имитирует все переменные качества воды при моделируемом постоянном потоке. Имитирует два уровня БПК для разработки сценариев речной или текущей способности разлагать органические загрязнители.

Эта модель также позволяет моделировать полученное количество углерода, фосфора, азота, неорганических твердых веществ, фитопланктона и детрита. Точно так же моделирует количество растворенного кислорода, что предсказывает потенциальные проблемы эвтрофикации.

Другие переменные, такие как pH или способность устранять патогены, также прогнозируются косвенно.

Модель СТРИТЕР-ФЕЛПС

Это очень полезная модель для оценки поведения концентрации конкретного загрязнителя в зоне влияния разлива по отношению к реке..

Одним из загрязняющих веществ, оказывающих более существенное влияние, является органическое вещество, поэтому наиболее информативной переменной в этой модели является потребность в растворенном кислороде. Поэтому он включает в себя математическую формулировку основных процессов, связанных с растворенным кислородом в реке..

Модель MIKE11

Имитирует различные процессы, такие как распад органических веществ, фотосинтез и дыхание водных растений, нитрификация и обмен кислорода. Характеризуется моделированием процессов трансформации и рассеивания загрязняющих веществ..

Модель RIOS

Эта модель была разработана в контексте управления водосборными бассейнами и объединяет биофизические, социальные и экономические данные..

Генерирует полезную информацию для планирования восстановительных мероприятий и включает такие параметры, как растворенный кислород, БПК, колиформа и анализ токсических веществ..

Модель QUASAR (моделирование качества вдоль речных систем)

Река моделируется отдельно на участки, определяемые притоками, свалками и общественными точками, которые прибывают или отходят от нее..

Рассмотрим среди прочих параметров скорость потока, температуру, pH, БПК и концентрацию нитратов аммиака., Кишечная палочка, и растворенный кислород.

WASP (Программа моделирования анализа качества воды)

Вы можете подойти к исследованию водоема в разных измерениях (1D, 2D или 3D). При его использовании пользователь может выбирать постоянные или переменные кинетические транспортные процессы с течением времени..

Сбросы точечных и неточечных отходов могут быть включены, и их применение включает несколько структур физического, химического и биологического моделирования. Здесь вы можете включить различные аспекты, такие как эвтрофикация и токсичные вещества.

Модель AQUASIM

Эта модель используется для изучения качества воды в реках и озерах. Работает как блок-схема, позволяющая моделировать большое количество параметров.

ссылки

  1. Castro-Huertas MA (2015) Применение QUAL2KW при моделировании качества воды реки Гуакаика, департамент Калдас, Колумбия. Дипломная работа Инженерно-архитектурный факультет, кафедра химической инженерии, Национальный университет Колумбии. Колумбия. 100 р.
  2. Di Toro DM, JJ Fitzpatrick yRV Thomann (1981) Программа моделирования анализа качества воды (WASP) и Программа проверки моделей (MVP) - Документация. Hydroscience, Inc., Westwood, NY, для США EPA, Дулут, Миннесота, контракт № 68-01-3872.
  3. Лопес-Васкес CM, G Buitrón-Méndez, HA García и FJ Сервантес-Каррильо (ред.) (2017). Биологическая очистка сточных вод. Принципы, моделирование и дизайн. IWA Publishing. 580 р.
  4. Matovelle C (2017) Математическая модель качества воды, применяемой в микробассейне реки Табакай. Технический обзор Killkana 1: 39-48.
  5. Ордоньес-Монкада J и M Palacios-Quevedo (2017) Модель качества воды. Южный союз дорожных концессионеров. SH Консорциум Двойная Дорога Rumichaca-Пасто. Отдел Нариньо. НИУ ВШЭ, Экологический консалтинг и инжиниринг С.А.С. 45 р.
  6. Reichert P (1998) AQUASIM 2.0 - руководство пользователя, компьютерная программа для идентификации и моделирования водных систем, Швейцарский федеральный институт экологических наук и технологий (EAWAG), Швейцария.
  7. Рендон-Веласкес С.М. (2013) Математические модели качества воды в озерах и водохранилищах. Thesis. Инженерная школа. Национальный автономный университет Мексики. Мексика, Д.Ф. 95 р.