MODEĻU VEIDI, KAS ATTIECAS UZ ŪDENS KVALITĀTES IZPĒTI - VIDE - 2025

Ūdens kvalitātes modeļi ir matemātiski formulējumi, kas imitē piesārņotāju izturēšanos un iedarbību ūdenī. Šajā ziņā ir aprakstīti iespējamie piesārņotāju ietekmes scenāriji, izmantojot dažādas formulas, kas sākas ar noteiktiem parametriem un mainīgajiem.

Ir dažādi ūdens kvalitātes modeļi atkarībā no piesārņojuma avota un novērtējamā ūdenstilpes. Šie modeļi sastāv no datorprogrammām, kuru pamatā ir matemātiskie algoritmi.

Ūdens kvalitātes novērtēšana. Avots: CSIRO

Modeļi integrē dažādu mainīgo un faktoru lauka datus, kā arī noteiktus ievades nosacījumus. No šiem datiem modeļi ģenerē iespējamos scenārijus, ekstrapolējot datus laikā un telpā, pamatojoties uz varbūtībām.

Visinformatīvākais parametrs ūdenstilpes piesārņojuma novērtēšanai ir bioķīmiskais skābekļa patēriņš (BSP). Lielākajā daļā modeļu BSP izmaiņu novērtējums ir kritērijs to scenāriju ģenerēšanai.

Valdības ir izstrādājušas noteikumus par ūdens kvalitāti, kas jāievēro, lai saņemtu atļaujas potenciāli piesārņojošu darbību veikšanai. Šajā ziņā modeļi ir noderīgs rīks, lai izprastu attiecīgās darbības iespējamo ietekmi uz ūdens kvalitāti.

Matemātiskais pamats

Ūdens kvalitātes paradumu prognozēšanai izmantotie modeļi ir balstīti uz diferenciālvienādojumiem. Šie vienādojumi saista izmaiņu daudzumu vienā funkcijā ar izmaiņu lielumu citā.

Ūdens kvalitātes modeļos tiek izmantoti nelineāri diferenciālvienādojumi, jo ūdens piesārņojuma procesi ir sarežģīti (tie nereaģē uz lineāru cēloņu un seku attiecību).

Parametri

Piemērojot noteiktu modeli, ir jāņem vērā virkne parametru.

Kopumā tiek aplēsti tādi pamatparametri kā bioloģiskais skābekļa pieprasījums (BSP), ķīmiskā skābekļa pieprasījums (COD), esošais slāpeklis un fosfors.

BSP ir viens no vissvarīgākajiem piesārņojuma rādītājiem, jo ​​augstās vērtības norāda uz lielu skaitu mikroorganismu. Savukārt ĶSP norāda skābekļa daudzumu, kas nepieciešams organisko vielu oksidēšanai ar ķīmiskiem līdzekļiem.

Novērtējamie parametri ir atkarīgi no ūdenstilpes veida - vai nu lenta (ezeri, dīķi, purvi) vai lotiskas (upes, strauti). Jāņem vērā arī plūsma, pārklātais laukums, ūdens tilpums, temperatūra un klimats.

Jāņem vērā arī novērtējamais piesārņojuma avots, jo katram piesārņotājam ir atšķirīga izturēšanās un ietekme.

Ja izplūst ūdenstilpē, ņem vērā izplūdes veidu, tajā esošos piesārņotājus un tā tilpumu.

Klasifikācija

Ir daudzi matemātiski modeļi, lai modelētu piesārņotāju izturēšanos ūdenstilpēs. Tos var klasificēt atkarībā no izmantotā procesa veida (fizikālais, ķīmiskais, bioloģiskais) vai šķīduma metodes veida (empīrisks, aptuvens, vienkāršots).

Faktori, kas tiek ņemti vērā, klasificējot šos modeļus, ir dinamika un dimensija.

Dinamiska

Stacionārie modeļi uzskata, ka ir pietiekami noteikt piesārņojošās vielas stāvokļa varbūtības sadalījumu noteiktā momentā vai telpā. Pēc tam viņš ekstrapolē šo varbūtības sadalījumu, uzskatot to par vienādu visā šī ūdenstilpes laikā un telpā.

Dinamiskajos modeļos tiek pieņemts, ka piesārņotāju izturēšanās varbūtība var mainīties laikā un telpā. Kvazidinamiski modeļi veic analīzi pa daļām un ģenerē daļēju tuvinājumu sistēmas dinamikai.

Ir programmas, kas var darboties gan dinamiskā, gan kvazi-dinamiskā modelī.

Izmēru dimensija

Atkarībā no telpiskajiem izmēriem, kurus modelis ņem vērā, ir bezizmēra, viendimensiju (1D), divdimensiju (2D) un trīsdimensiju (3D).

Bez dimensijas modelis vidi uzskata par viendabīgu visos virzienos. 1D modelis var aprakstīt telpiskās variācijas gar upi, bet ne tās vertikālā vai šķērsgriezumā. Divdimensiju modelī tiks ņemtas vērā divas no šīm dimensijām, savukārt 3D modelī tiks iekļautas visas tās.

Piemēri

Izmantojamā modeļa tips ir atkarīgs no pētāmās ūdenstilpes un pētījuma mērķa, un tas ir jākalibrē katram konkrētajam stāvoklim. Turklāt ir jāņem vērā arī informācijas pieejamība un modelējamie procesi.

Tālāk ir aprakstīti daži upju, strautu un ezeru ūdens kvalitātes pētījumu modeļu piemēri:

QUAL2K un QUAL2Kw (ūdens kvalitātes modelis)

Imitē visus ūdens kvalitātes mainīgos lielumus zem simulētas pastāvīgas plūsmas. Imitē divus BSP līmeņus, lai izstrādātu scenārijus par upes vai strauta spēju noārdīt organiskos piesārņotājus.

Šis modelis ļauj arī simulēt iegūto oglekļa, fosfora, slāpekļa, neorganisko cietvielu, fitoplanktona un detrīta daudzumu. Tāpat tas imitē izšķīdušā skābekļa daudzumu, kas paredz iespējamās eitrofikācijas problēmas.

Netieši tiek prognozēti arī citi mainīgie, piemēram, pH vai spēja izvadīt patogēnus.

STREETER-PHELPS modelis

Tas ir ļoti noderīgs modelis, lai novērtētu konkrēta piesārņotāja koncentrācijas izturēšanos upes noplūdes ietekmes zonā.

Viens no piesārņotājiem, kas rada visnozīmīgāko efektu, ir organiskās vielas, tāpēc vismodernākais mainīgais šajā modelī ir izšķīdušā skābekļa patēriņš. Tāpēc tas ietver galveno procesu, kas saistīti ar upē izšķīdušo skābekli, matemātisku formulējumu.

Modelis MIKE11

Tas imitē dažādus procesus, piemēram, organisko vielu noārdīšanos, ūdens augu fotosintēzi un elpošanu, nitrifikāciju un skābekļa apmaiņu. To raksturo simulējot piesārņotāju pārveidošanas un izkliedes procesus.

RIOS modelis

Šis modelis tika izveidots, ņemot vērā baseina pārvaldību, un tajā tika apvienoti biofizikālie, sociālie un ekonomiskie dati.

Tas rada noderīgu informāciju sanācijas pasākumu plānošanai un ietver tādus parametrus kā izšķīdušais skābeklis, BSP, koliformi un toksisko vielu analīze.

QUASAR modelis (kvalitātes simulācija gar upju sistēmām)

Upe ir modelēta sadalot daļās, kuras nosaka pietekas, noplūdes ceļi un publiskās ieplūdes vietas, kas ierodas no tās vai iziet no tās.

Citu parametru starpā tā ņem vērā amonjaka, nitrātu, Escherichia coli un izšķīdušā skābekļa plūsmu, temperatūru, pH, BSP un koncentrāciju.

WASP (ūdens kvalitātes analīzes simulācijas programma)

Ūdens objekta izpētei var pieiet dažādās dimensijās (1D, 2D vai 3D). Lietojot to, lietotājs var izvēlēties ievadīt nemainīgus vai laiku mainīgus kinētiskās transportēšanas procesus.

Var iekļaut atkritumu izplūdes punktos un punktos, un to pielietojums ietver dažādas fizikālās, ķīmiskās un bioloģiskās modelēšanas struktūras. Šeit var iekļaut dažādus aspektus, piemēram, eitrofikāciju un toksiskās vielas.

AQUASIM modelis

Šis modelis tiek izmantots, lai pētītu ūdens kvalitāti gan upēs, gan ezeros. Tas darbojas kā blokshēma, ļaujot simulēt lielu skaitu parametru.

Atsauces

1. Castro-Huertas MA (2015). QUAL2KW pielietojums Gvatečas upes ūdens kvalitātes modelēšanā, Koldasas Kaldas departamentā. Grādu darbs. Kolumbijas Nacionālās universitātes Ķīmiskās inženierijas fakultāte, Inženierzinātņu un arhitektūras fakultāte. Kolumbija. 100 lpp.
2. Di Toro DM, JJ Fitzpatrick un RV Thomann (1981) Ūdens kvalitātes analīzes simulācijas programma (WASP) un modeļa verifikācijas programma (MVP) - dokumentācija. Hydroscience, Inc., Westwood, NY, ASV EPA, Duluth, MN, līguma Nr. 68-01-3872.
3. López-Vázquez CM, G Buitrón-Méndez, HA García un FJ Cervantes-Carrillo (Eds.) (2017). Notekūdeņu bioloģiskā attīrīšana. Principi, modelēšana un dizains. IWA izdevējdarbība. 580 lpp.
4. Matovelle C (2017) Tabakajas upes mikro baseinā izmantotais ūdens kvalitātes matemātiskais modelis. Tehniskais žurnāls Killkana 1: 39-48.
5. Ordoñez-Moncada J un M Palacios-Quevedo (2017) Ūdens kvalitātes modelis. Concesionaria Flakon Unión del Sur. SH konsorcijs. Divkārša brauktuve. Rumichaca-Pasto. Nariño departaments. HSE, Asesoría e Ingeniería Ambiental SAS 45 lpp.
6. Reichert P (1998) AQUASIM 2.0 - lietotāja rokasgrāmata, datorprogramma ūdens sistēmu identificēšanai un imitēšanai, Šveices Federālais vides zinātnes un tehnoloģijas institūts (EAWAG), Šveice.
7. Rendón-Velázquez CM (2013) Ūdens kvalitātes matemātiskie modeļi ezeros un rezervuāros. Disertācija. Inženierijas fakultāte. Meksikas Nacionālā autonomā universitāte. Meksika, DF 95 lpp.