Vilka typer av modeller ska tillämpas på studier av vattenkvalitet?



Modellerna för vattenkvalitet är matematiska formuleringar som simulerar föroreningarnas beteende och effekter i vatten. I detta avseende presenteras möjliga scenarier av effekterna av föroreningar genom att använda olika formler som börjar från vissa parametrar och variabler.

Det finns olika modeller av vattenkvalitet beroende på källan till förorening och vattenkroppen som du vill utvärdera. Dessa modeller består av datorprogram baserade på matematiska algoritmer.

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

Den mest informativa parametern för att bedöma förorening av en vattenkälla är den biokemiska syreförfrågan (BOD). De flesta modellerna inkluderar uppskattningen av BOD-variation som ett kriterium för att generera sina scenarier.

Regeringar har fastställt regler för vattenkvalitet som måste uppfyllas för att erhålla tillstånd för utförande av potentiellt förorenande verksamhet. På så sätt är modellerna ett användbart verktyg för att förstå den möjliga inverkan på vattenkvaliteten hos en viss aktivitet.

index

  • 1 Matematisk grund
    • 1.1 Parametrar
  • 2 klassificering
    • 2.1 Dynamik
    • 2.2 Dimensionality
  • 3 exempel
    • 3.1 Modell QUAL2K och QUAL2Kw (vattenkvalitetsmodell)
    • 3.2 Modell STREETER-PHELPS
    • 3.3 Modell MIKE11
    • 3.4 RIOS-modell
    • 3,5 kvasar modell (kvalitetssimulering längs flodsystem)
    • 3.6 WASP (simuleringsprogram för vattenkvalitetsanalys)
    • 3,7 AQUASIM-modell
  • 4 referenser

Matematisk grund

Modellerna som används för att förutse vattenkvaliteten är baserade på differentialekvationer. Dessa ekvationer relaterar mängden förändring av en viss funktion med storleken på förändringen i en annan.

I vattenkvalitetsmodeller används icke-linjära differentialekvationer, eftersom vattenföroreningsprocesserna är komplexa (de svarar inte på en linjär orsakseffektrelation).

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 tyder på en stor mängd mikroorganismer. För sin del anger COD mängden syre som krävs för att oxidera organiskt material med kemiska medel.

De parametrar som ska utvärderas beror på vilken typ av vattenkropp, det är lentiskt (sjöar, laguner, kärr) eller lotik (floder, strömmar). Det bör också ta hänsyn till flödet, täckt område, vattenvolym, temperatur och klimat.

Det är också nödvändigt att överväga att föroreningen ska utvärderas, eftersom varje förorenande har ett annat beteende och effekt.

Vid utsläpp i vattendroppen är typen av utsläpp, föroreningar den innehåller och dess volym beaktas..

klassificering

Det finns många matematiska modeller för att simulera föroreningarnas beteende i vattenkroppar. De kan klassificeras beroende på vilken typ av process de anser (fysisk, kemisk, biologisk) eller typen av lösningsmetod (empirisk, approximativ, förenklad).

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

dynamisk

Stationära modeller anser att det räcker att fastställa sannolikhetsfördelningen för föroreningsmedlet vid en given tidpunkt eller i ett utrymme. Därefter extrapolerar den sannolikhetsfördelningen med tanke på att den är lika i hela tiden och rymden för den vattenkroppen.

I dynamiska modeller antas att sannolikheten för förorenande beteende kan förändras i tid och rum. De kvasidynamiska modellerna utför analyserna i delar och genererar en partiell approximation till systemets dynamik.

Det finns program som kan fungera i både dynamiska och kvasi-dynamiska modeller.

dimensionalitet

Beroende på de rumsliga dimensioner som modellen anser är det dimensionslös, endimensionell (1D), tvådimensionell (2D) och tredimensionell (3D).

En dimensionslös modell anser att mediet är homogent i alla riktningar. En 1D-modell kan beskriva rumslig variation längs en flod, men inte i dess tvärsnitt eller vertikal. En 2D-modell kommer att överväga två av dessa dimensioner, medan en 3D-en kommer att inkludera dem alla.

exempel

Den typ av modell som ska användas beror på vilken kroppsvatten som ska studeras och syftet med studien, och det måste kalibreras för varje enskilt tillstånd. Dessutom måste tillgängligheten av information och de processer som du vill modellera beaktas.

Några exempel på modeller för vattenkvalitetsstudier i floder, strömmar och sjöar beskrivs nedan:

Modell QUAL2K och QUAL2Kw (vattenkvalitetsmodell)

Simulerar alla vattenkvalitetsvariabler under ett simulerat konstant flöde. Simulerar två nivåer av BOD för att utveckla scenarier av flod eller nuvarande kapacitet för nedbrytning av organiska föroreningar.

Denna modell möjliggör också att simulera den resulterande mängden kol, fosfor, kväve, oorganiska fasta substanser, fytoplankton och detritus. På liknande sätt simulerar mängden upplöst syre, vilket förutser potentiella problem med eutrofiering.

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

Modell STREETER-PHELPS

Det är en mycket användbar modell för att utvärdera beteendet hos koncentrationen av ett specifikt förorenande ämne vid inflytande av ett spill mot en flod.

Ett av de föroreningar som ger en mer signifikant effekt är organiskt material, så den mest informativa variabeln i denna modell är efterfrågan på upplöst syre. Därför innefattar den en matematisk formulering av huvudprocesserna associerade med upplöst syre i en flod.

Modell MIKE11

Simulerar olika processer som nedbrytning av organiskt material, fotosyntes och andning av vattenväxter, nitrifikation och syreutbyte. Det kännetecknas av att simulera processerna för transformation och dispersion av föroreningar.

RIOS-modellen

Modellen utformades i samband med vattenskötsel och kombinerar biofysiska, sociala och ekonomiska data.

Genererar användbar information för att planera saneringsåtgärder och innefattar parametrar som upplöst syre, BOD, koliformer och toxicitetsanalyser.

QUASAR-modell (kvalitetssimulering längs flodsystem)

Floden modelleras separat i sektioner, definierade av bifloder, deponier och offentliga uttag som anländer eller avgår från den.

Tänk bland andra parametrar flödeshastigheten, temperaturen, pH, BOD och koncentrationen av ammoniaknitrat, Escherichia coli, och löst syre.

WASP (Vattenkvalitetsanalys Simuleringsprogram)

Du kan närma dig studien av vattenkroppen i olika dimensioner (1D, 2D eller 3D). När den används kan användaren välja att ange konstanta eller variabla kinetiska transportprocesser över tiden.

Utsläpp av punkt- och icke-punktavfall kan ingå och deras tillämpningar omfattar flera ramar av fysisk, kemisk och biologisk modellering. Här kan du inkludera olika aspekter som eutrofiering och giftiga ämnen.

Modell AQUASIM

Denna modell används för att studera vattenkvaliteten i floder och sjöar. Det fungerar som ett flödesschema, vilket möjliggör att simulera ett stort antal parametrar.

referenser

  1. Castro-Huertas MA (2015) Användning av QUAL2KW i vattenkvalitetsmodellering av floden Guacaica, avdelning Caldas, Colombia. Examensarbete Fakulteten för teknik och arkitektur, Institutionen för kemiteknik, National University of Colombia. Colombia. 100 s.
  2. Di Toro DM, JJ Fitzpatrick yRV Thomann (1981) Vattenkvalitetsanalys Simuleringsprogram (WASP) och Model Verifieringsprogram (MVP) - Dokumentation. Hydroscience, Inc., Westwood, NY, för U.S. EPA, Duluth, MN, kontrakt nr 68-01-3872.
  3. López-Vázquez CM, G Buitrón-Méndez, HA García och FJ Cervantes-Carrillo (red.) (2017). Biologisk behandling av avloppsvatten. Principer, modellering och design. IWA Publishing. 580 s.
  4. Matovelle C (2017) Matematisk modell för vattenkvalitet tillämpad i mikrobasen i floden Tabacay. Killkana Technical Review 1: 39-48.
  5. Ordoñez-Moncada J och M Palacios-Quevedo (2017) Vattenkvalitetsmodell. Southern Union Road Concessionaire. SH-konsortiet Double Road Rumichaca-Pasto. Institutionen för Nariño. HSE, Environmental Consulting and Engineering S.A.S. 45 s.
  6. Reichert P (1998) AQUASIM 2.0 - Användarmanual, datorprogram för identifiering och simulering av vattensystem, Schweiziska federala institutet för miljövetenskap och teknik (EAWAG), Schweiz.
  7. Rendón-Velázquez CM (2013) Matematiska modeller av vattenkvalitet i sjöar och reservoarer. Avhandling. Institutionen för teknik. National Autonomous University of Mexico. Mexico, D.F. 95 sid.