Ποιοι τύποι μοντέλων πρέπει να εφαρμοστούν στη μελέτη της ποιότητας των υδάτων;

Τα μοντέλα ποιότητας νερού είναι μαθηματικά σκευάσματα που προσομοιώνουν τη συμπεριφορά και τις επιδράσεις των ρύπων στο νερό. Υπό αυτή την έννοια, παρουσιάζονται πιθανά σενάρια της επίδρασης των ρύπων, χρησιμοποιώντας διάφορους τύπους που ξεκινούν από ορισμένες παραμέτρους και μεταβλητές.

Υπάρχουν διαφορετικά μοντέλα ποιότητας νερού ανάλογα με την πηγή μόλυνσης και το νερό που θέλετε να αξιολογήσετε. Αυτά τα μοντέλα αποτελούνται από προγράμματα υπολογιστών που βασίζονται σε μαθηματικούς αλγορίθμους.

Τα μοντέλα ενσωματώνουν δεδομένα πεδίου διαφόρων μεταβλητών και παραγόντων, καθώς και ορισμένες συνθήκες εισόδου. Από αυτά τα δεδομένα, τα μοντέλα παράγουν τα πιθανά σενάρια, εξάγοντας δεδομένα σε χρόνο και χώρο με βάση τις πιθανότητες.

Η πιο ενημερωτική παράμετρος για την εκτίμηση της μόλυνσης ενός σώματος νερού είναι η βιοχημική ζήτηση οξυγόνου (BOD). Τα περισσότερα μοντέλα περιλαμβάνουν την εκτίμηση της διαφοροποίησης του BOD ως κριτηρίου για τη δημιουργία των σεναρίων τους.

Οι κυβερνήσεις έχουν θεσπίσει κανονισμούς για την ποιότητα των υδάτων που πρέπει να πληρούνται για την απόκτηση αδειών για την εκτέλεση δυνητικά ρυπογόνων δραστηριοτήτων. Υπό αυτή την έννοια, τα μοντέλα είναι ένα χρήσιμο εργαλείο για την κατανόηση του πιθανού αντίκτυπου στην ποιότητα του νερού μιας δεδομένης δραστηριότητας.

Ευρετήριο

• 1 Μαθηματικά θεμέλια
  • 1.1 Παράμετροι
• 2 Ταξινόμηση
  • 2.1 Δυναμική
  • 2.2 Διαστάσεις
• 3 Παραδείγματα
  • 3.1 Μοντέλο QUAL2K και QUAL2Kw (μοντέλο ποιότητας νερού)
  • 3.2 Μοντέλο STREETER-PHELPS
  • 3.3 Μοντέλο MIKE11
  • 3.4 Πρότυπο RIOS
  • 3.5 Μοντέλο QUASAR (προσομοίωση ποιότητας κατά μήκος των ποταμών)
  • 3.6 Πρόγραμμα προσομοίωσης της ποιότητας νερού (WASP)
  • 3.7 Μοντέλο AQUASIM
• 4 Αναφορές

Μαθηματικά θεμέλια

Τα μοντέλα που χρησιμοποιούνται για την πρόβλεψη της συμπεριφοράς της ποιότητας του νερού βασίζονται σε διαφορικές εξισώσεις. Αυτές οι εξισώσεις συνδέουν την ποσότητα αλλαγής μιας συγκεκριμένης συνάρτησης με το μέγεθος της αλλαγής σε μια άλλη.

Στα μοντέλα ποιότητας νερού χρησιμοποιούνται μη γραμμικές διαφορικές εξισώσεις, επειδή οι διαδικασίες μόλυνσης του νερού είναι πολύπλοκες (δεν ανταποκρίνονται σε μια γραμμική σχέση αιτίου-αποτελέσματος).

Παράμετροι

Κατά την εφαρμογή ενός συγκεκριμένου μοντέλου είναι απαραίτητο να ληφθεί υπόψη μια σειρά παραμέτρων.

Γενικά, βασικές παράμετροι υπολογίζονται όπως η ζήτηση βιολογικού οξυγόνου (BOD), η ζήτηση χημικού οξυγόνου (COD), το άζωτο και ο φωσφόρος που υπάρχουν..

Το BOD είναι ένας από τους σημαντικότερους δείκτες ρύπανσης, καθώς οι υψηλές τιμές υποδηλώνουν μεγάλη ποσότητα μικροοργανισμών. Από την πλευρά του, το COD δείχνει την ποσότητα οξυγόνου που απαιτείται για την οξείδωση της οργανικής ύλης με χημικά μέσα.

Οι παράμετροι που αξιολογήθηκαν εξαρτώνται από τον τύπο του σώματος του νερού, είτε lentic (λίμνες, λίμνες, έλη) ή lotic (ποτάμια, ρέματα). Θα πρέπει επίσης να λαμβάνεται υπόψη η ροή, η έκταση που καλύπτεται, ο όγκος του νερού, η θερμοκρασία και το κλίμα.

Είναι επίσης απαραίτητο να αξιολογηθεί η πηγή της μόλυνσης, καθώς κάθε ρύπος έχει διαφορετική συμπεριφορά και αποτέλεσμα.

Στην περίπτωση των απορρίψεων στο σώμα του νερού, λαμβάνεται υπόψη ο τύπος απόρριψης, οι ρύποι που περιέχει και ο όγκος του..

Ταξινόμηση

Υπάρχουν πολυάριθμα μαθηματικά μοντέλα για την προσομοίωση της συμπεριφοράς των ρύπων σε υδατικά συστήματα. Μπορούν να ταξινομηθούν ανάλογα με τον τύπο της διαδικασίας που θεωρούνται (φυσικών, χημικών, βιολογικών) ή τον τύπο της μεθόδου διαλύματος (εμπειρική προσέγγιση απλοποιημένη).

Οι παράγοντες που λαμβάνονται υπόψη για την ταξινόμηση αυτών των μοντέλων είναι η δυναμική και η διαστασιολόγηση.

Δυναμική

Τα στάσιμα μοντέλα θεωρούν ότι αρκεί να καθοριστεί η κατανομή πιθανότητας της κατάστασης του ρύπου σε δεδομένο χρόνο ή χώρο. Στη συνέχεια, υπολογίστε την κατανομή πιθανότητας θεωρώντας την ίση σε κάθε χρόνο και χώρο αυτού του νερού.

Στα δυναμικά μοντέλα, υποτίθεται ότι οι πιθανότητες της συμπεριφοράς των μολυσματικών ουσιών μπορούν να αλλάξουν στο χρόνο και στο χώρο. Τα οιονεί δυναμικά μοντέλα εκτελούν τις αναλύσεις σε μέρη και παράγουν μια μερική προσέγγιση με τη δυναμική του συστήματος.

Υπάρχουν προγράμματα που μπορούν να λειτουργήσουν τόσο σε δυναμικά όσο και σε οιονεί δυναμικά μοντέλα.

Διαστάσεις

Ανάλογα με τις χωρικές διαστάσεις που θεωρούνται από το μοντέλο, υπάρχουν αδιάστατα, μονοδιάστατα (1D), δισδιάστατα (2D) και τρισδιάστατα (3D).

Ένα αδιάστατο μοντέλο θεωρεί ότι το μέσο είναι ομοιογενές προς όλες τις κατευθύνσεις. Ένα μοντέλο 1D μπορεί να περιγράψει τη χωρική διακύμανση κατά μήκος ενός ποταμού, αλλά όχι στη διατομή του ή στην κάθετη. Ένα μοντέλο 2D θα εξετάσει δύο από αυτές τις διαστάσεις, ενώ ένα 3D θα περιλαμβάνει όλες αυτές.

Παραδείγματα

Ο τύπος του μοντέλου που θα χρησιμοποιηθεί εξαρτάται από το σώμα του ύδατος που πρέπει να μελετηθεί και από τον στόχο της μελέτης και πρέπει να βαθμονομείται για κάθε συγκεκριμένη κατάσταση. Επιπλέον, πρέπει να ληφθεί υπόψη η διαθεσιμότητα πληροφοριών και οι διαδικασίες που θέλετε να διαμορφώσετε.

Μερικά παραδείγματα μοντέλων για μελέτες ποιότητας των υδάτων σε ποτάμια, ρέματα και λίμνες περιγράφονται παρακάτω:

Μοντέλο QUAL2K και QUAL2Kw (μοντέλο ποιότητας νερού)

Εξομοιώνει όλες τις μεταβλητές ποιότητας νερού υπό προσομοίωση σταθερής ροής. Προσομοιώνει δύο επίπεδα BOD για την ανάπτυξη σεναρίων του ποταμού ή της τρέχουσας ικανότητας αποικοδόμησης οργανικών ρύπων.

Αυτό το μοντέλο επιτρέπει επίσης την προσομοίωση της προκύπτουσας ποσότητας άνθρακα, φωσφόρου, αζώτου, ανόργανων στερεών, φυτοπλαγκτού και αποβλήτων. Ομοίως, προσομοιώνει την ποσότητα διαλυμένου οξυγόνου, η οποία προβλέπει πιθανά προβλήματα ευτροφισμού.

Άλλες μεταβλητές όπως το ρΗ ή η ικανότητα εξάλειψης των παθογόνων εμφανίζονται επίσης έμμεσα.

Μοντέλο STREETER-PHELPS

Είναι ένα πολύ χρήσιμο μοντέλο για την αξιολόγηση της συμπεριφοράς της συγκέντρωσης ενός συγκεκριμένου ρύπου στην περιοχή επιρροής μιας διαρροής προς ένα ποτάμι.

Ένας από τους ρύπους που παράγει ένα πιο σημαντικό αποτέλεσμα είναι η οργανική ύλη, οπότε η πιο ενημερωτική μεταβλητή σε αυτό το μοντέλο είναι η ζήτηση διαλυμένου οξυγόνου. Επομένως, περιλαμβάνει μια μαθηματική διατύπωση των κύριων διεργασιών που σχετίζονται με το διαλυμένο οξυγόνο σε ένα ποτάμι.

Μοντέλο MIKE11

Προσομοίωση διάφορες διαδικασίες όπως η αποικοδόμηση της οργανικής ύλης, φωτοσύνθεση και η αναπνοή των υδρόβιων φυτών, νιτροποίηση και ανταλλαγή οξυγόνου. Χαρακτηρίζεται από την προσομοίωση των διαδικασιών μετασχηματισμού και διασποράς ρύπων.

Μοντέλο RIOS

Το μοντέλο αυτό σχεδιάστηκε στο πλαίσιο της διαχείρισης των λεκανών απορροής και συνδυάζει βιοφυσικά, κοινωνικά και οικονομικά δεδομένα.

Δημιουργεί χρήσιμες πληροφορίες για το σχεδιασμό μέτρων αποκατάστασης και περιλαμβάνει παραμέτρους όπως ανάλυση διαλυμένου οξυγόνου, BOD, coliforms και τοξικές ουσίες.

Μοντέλο QUASAR (προσομοίωση ποιότητας κατά μήκος ποταμών)

Ο ποταμός διαμορφώνεται χωριστά σε τμήματα, τα οποία καθορίζονται από τους παραποτάμους, τους χώρους υγειονομικής ταφής και τα δημόσια καταστήματα που φθάνουν ή απομακρύνονται από αυτό.

Εξετάστε, μεταξύ άλλων παραμέτρων, τον ρυθμό ροής, τη θερμοκρασία, το pH, το BOD και τη συγκέντρωση των νιτρικών αμμωνιών, Escherichia coli, και διαλυμένο οξυγόνο.

WASP (Πρόγραμμα Προσομοίωσης Ανάλυσης Ποιότητας Νερού)

Μπορείτε να προσεγγίσετε τη μελέτη του σώματος του νερού σε διαφορετικές διαστάσεις (1D, 2D ή 3D). Όταν το χρησιμοποιείτε, ο χρήστης μπορεί να επιλέξει να εισάγει σταθερές ή μεταβλητές κινητικές διεργασίες με την πάροδο του χρόνου.

Μπορούν να συμπεριληφθούν οι απορρίψεις αποβλήτων σημειακών και μη σημείων και οι εφαρμογές τους περιλαμβάνουν διάφορα πλαίσια φυσικής, χημικής και βιολογικής μοντελοποίησης. Εδώ μπορείτε να συμπεριλάβετε διάφορες πτυχές όπως ο ευτροφισμός και οι τοξικές ουσίες.

Μοντέλο AQUASIM

Αυτό το μοντέλο χρησιμοποιείται για τη μελέτη της ποιότητας των υδάτων σε ποτάμια και λίμνες. Λειτουργεί ως διάγραμμα ροής, επιτρέποντας την προσομοίωση μεγάλου αριθμού παραμέτρων.

Αναφορές

1. Castro-Huertas ΜΑ (2015) Εφαρμογή των QUAL2KW στην ποιότητα των υδάτων μοντελοποίηση του ποταμού Guacaica, τμήμα της Caldas, Κολομβία. Πτυχίο εργασίας Τμήμα Μηχανικής και Αρχιτεκτονικής, Τμήμα Χημικών Μηχανικών, Εθνικό Πανεπιστήμιο της Κολομβίας. Κολομβία 100 σ.
2. Di Toro DM, JJ Fitzpatrick yRV Thomann (1981) Πρόγραμμα Προσομοίωσης Ανάλυσης Ποιότητας Νερού (WASP) και Πρόγραμμα Επαλήθευσης Μοντέλου (MVP) - Τεκμηρίωση. Hydroscience, Inc., Westwood, ΝΥ, για U.S. EPA, Duluth, ΜΝ, Αρ. Συμβολαίου 68-01-3872.
3. Lopez-Vazquez CM, G Buitron-Méndez, ΗΑ και FJ García Cervantes-Carrillo (Eds.) (2017). Βιολογική επεξεργασία λυμάτων. Αρχές, μοντελοποίηση και σχεδιασμός. IWA Publishing. 580 p.
4. Matovelle C (2017) Μαθηματικό μοντέλο ποιότητας νερού που εφαρμόζεται στην μικροβάζα του ποταμού Tabacay. Τεχνική ανασκόπηση 1: 39-48 της Killkana.
5. Ordoñez-Moncada J και M Palacios-Quevedo (2017) Μοντέλο ποιότητας νερού. Σύμβαση παραχώρησης της οδού Southern Union. SH Consortium Διπλό δρόμο Rumichaca-βοσκοτόπων. Τμήμα του Nariño. HSE, Environmental Consulting and Engineering S.A.S. 45 σ.
6. Reichert P (1998) AQUASIM 2.0 - Εγχειρίδιο χρήστη, πρόγραμμα ηλεκτρονικών υπολογιστών για την αναγνώριση και προσομοίωση των υδρόβιων συστημάτων, Ελβετικό ομοσπονδιακό ινστιτούτο περιβαλλοντικής επιστήμης και τεχνολογίας (EAWAG), Ελβετία.
7. Rendón-Velázquez CM (2013) Μαθηματικά μοντέλα ποιότητας νερού σε λίμνες και δεξαμενές. Διατριβή Σχολή Μηχανικών. Εθνικό Αυτόνομο Πανεπιστήμιο του Μεξικού. Μεξικό, D.F. 95 σελ.