TYPER AV MODELLER SOM GÄLLER FÖR STUDIEN AV VATTENKVALITET - MILJÖ - 2025

Modeller för vattenkvalitet är matematiska formuleringar som simulerar uppförande och effekter av föroreningar i vatten. I detta avseende presenteras möjliga scenarier för effekterna av föroreningar med olika formler som börjar från vissa parametrar och variabler.

Det finns olika modeller för vattenkvalitet beroende på källan till föroreningar och vattenmassan som ska utvärderas. Dessa modeller består av datorprogram baserade på matematiska algoritmer.

Utvärdering av vattenkvalitet. Källa: CSIRO

Modellerna integrerar fältdata från olika variabler och faktorer, plus vissa inmatningsförhållanden. Från dessa data genererar modellerna de möjliga scenarierna och extrapolerar data i tid och rum baserat på sannolikheter.

Den mest informativa parametern för att utvärdera föroreningar av en vattenkropp är biokemiskt syrebehov (BOD). De flesta modellerna inkluderar uppskattningen av variationen i BOD som kriterium för att generera deras scenarier.

Regeringar har upprättat regler för vattenkvalitet som måste uppfyllas för att få tillstånd för att utföra potentiellt förorenande aktiviteter. I denna mening är modeller ett användbart verktyg för att förstå den möjliga påverkan på vattenkvaliteten för en given aktivitet.

Matematisk grund

Modellerna som används för att förutse vattenkvalitetens beteende är baserade på differentiella ekvationer. Dessa ekvationer relaterar mängden förändring i en funktion till storleken på förändringen i en annan.

Icke-linjära differentiella ekvationer används i vattenkvalitetsmodeller eftersom vattenföroreningsprocesser är komplexa (de svarar inte på en linjär orsak-effekt-relation).

parametrar

Vid tillämpning av en viss modell är det nödvändigt att ta hänsyn till en serie parametrar.

I allmänhet uppskattas grundläggande parametrar såsom Biologisk syrebehov (BOD), kemisk syrebehov (COD), kväve och fosfor närvarande.

BOD är en av de viktigaste föroreningsindikatorerna, eftersom höga värden indikerar ett stort antal mikroorganismer. COD anger för sin del den mängd syre som är nödvändig för att oxidera organiskt material med kemiska medel.

Parametrarna som ska utvärderas beror på vattentypen, antingen lentisk (sjöar, dammar, träsk) eller lotic (floder, bäckar). Flödet, täckt område, vattenvolym, temperatur och klimat måste också beaktas.

Det är också nödvändigt att ta hänsyn till källan till kontaminering som ska utvärderas, eftersom varje förorenande har ett annat beteende och effekt.

Vid utsläpp till vattendraget beaktas typen av utsläpp, föroreningar som den innehåller och dess volym.

Klassificering

Det finns många matematiska modeller för att simulera föroreningarnas beteende i vattendrag. De kan klassificeras beroende på vilken typ av process de överväger (fysiska, kemiska, biologiska) eller typen av lösningsmetod (empirisk, ungefärlig, förenklad).

De faktorer som beaktas för att klassificera dessa modeller är dynamik och dimensionalitet.

Dynamisk

Stationära modeller anser att det är tillräckligt att fastställa sannolikhetsfördelningen för föroreningarnas tillstånd vid ett visst ögonblick eller ett utrymme. Därefter extrapolerar han den sannolikhetsfördelningen med tanke på densamma i all tid och rymd för den vattenkroppen.

I dynamiska modeller antas det att sannolikheten för förorenande beteende kan förändras i tid och rum. Kvasidynamiska modeller utför analysen i delar och genererar en partiell tillnärmning till systemets dynamik.

Det finns program som kan fungera i både en dynamisk och en kvasidynamisk modell.

dimensionalitet

Beroende på de rumsliga dimensioner som modellen beaktar finns det dimensionlösa, en-dimensionella (1D), två-dimensionella (2D) och tredimensionella (3D).

En måttlös modell anser att mediet är homogent i alla riktningar. En 1D-modell kan beskriva den rumsliga variationen längs en flod, men inte i dess vertikala eller tvärsnitt. En 2D-modell kommer att ta hänsyn till två av dessa dimensioner, medan en 3D-modell kommer att innehålla alla dem.

exempel

Vilken typ av modell som ska användas beror på vattendraget som ska studeras och syftet med studien och måste kalibreras för varje speciellt tillstånd. Dessutom måste tillgången på information och de processer som ska modelleras beaktas.

Några exempel på modeller för studier av vattenkvalitet i floder, bäckar och sjöar beskrivs nedan:

QUAL2K och QUAL2Kw (vattenkvalitetsmodell)

Simulerar alla vattenkvalitetsvariabler under ett simulerat konstant flöde. Simulerar två nivåer av BOD för att utveckla scenarier av floden eller bäckens förmåga att försämra organiska föroreningar.

Denna modell gör det också möjligt att simulera den resulterande mängden kol, fosfor, kväve, oorganiska fasta ämnen, fytoplankton och detritus. På samma sätt simulerar den mängden upplöst syre, vilket förutsäger möjliga övergödningsproblem.

Andra variabler såsom pH eller förmågan att eliminera patogener projiceras också indirekt.

STREETER-PHELPS-modell

Det är en mycket användbar modell för att utvärdera beteendet för koncentrationen av ett specifikt förorenande ämne i påverkan av ett utsläpp i en flod.

En av de föroreningar som producerar den mest betydande effekten är organiskt material, så den mest informativa variabeln i denna modell är efterfrågan på löst syre. Därför inkluderar det en matematisk formulering av de huvudsakliga processerna förknippade med upplöst syre i en flod.

Modell MIKE11

Den simulerar olika processer såsom nedbrytning av organiskt material, fotosyntes och andning av vattenväxter, nitrifikation och syreutbyte. Det kännetecknas av att simulera processerna för transformation och spridning av föroreningar.

RIOS-modell

Denna modell utformades i samband med förvaltning av vattendrag och kombinerar biofysiska, sociala och ekonomiska data.

Den genererar användbar information för att planera saneringsåtgärder och innehåller parametrar som upplöst syre, BOD, koliformer och analys av giftiga ämnen.

QUASAR-modell (Quality Simulation Along River Systems)

Floden är modellerad, uppdelad i sektioner, definierad av bifloder, spillways och offentliga intag som kommer eller avgår från den.

Bland andra parametrar beaktar det flödet, temperaturen, pH, BOD och koncentrationen av ammoniak, nitrater, Escherichia coli och upplöst syre.

WASP (simuleringsprogram för vattenkvalitetsanalys)

Du kan närma dig studien av vattenmassan i olika dimensioner (1D, 2D eller 3D). Vid användning kan användaren välja att gå in i konstant eller tidsvarierande kinetiska transportprocesser.

Punkt- och icke-punktutsläpp kan inkluderas och deras tillämpningar inkluderar olika fysiska, kemiska och biologiska modelleringsramar. Här kan olika aspekter såsom övergödning och giftiga ämnen inkluderas.

AQUASIM-modell

Denna modell används för att studera kvaliteten på vatten i både floder och sjöar. Det fungerar som ett flödesschema, vilket gör det möjligt att simulera ett stort antal parametrar.

referenser

1. Castro-Huertas MA (2015) Tillämpning av QUAL2KW vid modellering av vattenkvaliteten i floden Guacaica, avdelningen i Caldas, Colombia. Examensarbete. Fakulteten för teknik och arkitektur, Institutionen för kemiteknik, National University of Colombia. Colombia. 100 sid.
2. Di Toro DM, JJ Fitzpatrick och RV Thomann (1981) Simuleringsprogram för vattenkvalitetsanalys (WASP) och modellverifieringsprogram (MVP) - Dokumentation. Hydroscience, Inc., Westwood, NY, för US EPA, Duluth, MN, kontrakt nr 68-01-3872.
3. López-Vázquez CM, G Buitrón-Méndez, HA García och FJ Cervantes-Carrillo (Eds.) (2017). Biologisk avloppsrening. Principer, modellering och design. IWA-publicering. 580 sid.
4. Matovelle C (2017) Matematisk modell av vattenkvalitet tillämpad i Tabacay-mikrotanken. Killkana Technical Magazine 1: 39-48.
5. Ordoñez-Moncada J och M Palacios-Quevedo (2017) Vattenkvalitetsmodell. Concesionaria Vial Unión del Sur. SH-konsortium. Dubbel körväg. Rumichaca-Pasto. Nariño-avdelningen. HSE, Asesoría e Ingeniería Ambiental SAS 45 s.
6. Reichert P (1998) AQUASIM 2.0 - Användarmanual, datorprogram för identifiering och simulering av vattenlevande system, Schweiziska federala institutet för miljövetenskap och teknik (EAWAG), Schweiz.
7. Rendón-Velázquez CM (2013) Matematiska modeller för vattenkvalitet i sjöar och reservoarer. Avhandling. Ingengörsfacilitet. National Autonomous University of Mexico. Mexico, DF 95 s.